سوڈیم اور ہائیڈروجن، کاغذ پر ایک سپر کنڈکٹر

ایک سپر کنڈکٹر ایک فیصلہ کن درجۂ حرارت (critical temperature)، Tc، سے نیچے بجلی کا کرنٹ بالکل کسی مزاحمت کے بغیر گزارتا ہے۔ ہائیڈروجن سے بھرپور مادوں کے ریکارڈ حیرت انگیز ہیں: H₃S اور LaH₁₀ 200 کیلون سے اوپر سپر کنڈکٹر ہیں۔ لیکن ایسا صرف تب ہوتا ہے جب انھیں تقریباً ایک میگابار، یعنی کرۂ ہوائی دباؤ کے تقریباً دس لاکھ گنا، پر دبایا جائے۔ چیلنج یہ ہے کہ کم دباؤ پر وہی کارکردگی حاصل کی جائے۔

ہائیڈروجن اس لیے مدد کرتی ہے کہ وہ ہلکی ہے: اس کے ایٹم بہت زیادہ تعدد پر ارتعاش کرتے ہیں، اور یہ ارتعاشات الیکٹرانز کو ان جوڑوں میں باندھ سکتے ہیں جو سپر کرنٹ لے جاتے ہیں۔ بہت سے بہترین ہائیڈرائیڈز میں ہائیڈروجن اب H₂ سالمات نہیں بناتی۔ وہ مرکبات جن میں ہائیڈروجن جوڑوں کی صورت میں رہتی ہے، طویل عرصے سے کمزور امیدوار سمجھے جاتے رہے ہیں، کیونکہ ہر جوڑے کے اندر کا مضبوط بندھن اس کے الیکٹرانز کو کھیل سے باہر کھینچ لیتا ہے۔

تلاش سے ملنے والا مرکب

یونیورسٹی آف ٹینیسی کے تیانران چن (Tianran Chen) اور NIST سینٹر فار نیوٹران ریسرچ کے تانر یلدرم (Taner Yildirim) نے ہائیڈروجن سے بھرپور 1,00,000 سے زیادہ ساختوں کی کمپیوٹر تلاش میں پہلے ہی سوڈیم ہیکسا ہائیڈرائیڈ، NaH6، کی نشاندہی کی تھی۔ ایک آزاد تحقیق نے بھی اس کے لیے بلند Tc کی پیشگوئی کی تھی۔ یہاں انھوں نے اس کا گہرائی سے جائزہ لیا — مکمل طور پر حسابات کے ذریعے:

ہر دباؤ پر سب سے موزوں قلمی ترتیب تلاش کرنے کے لیے ایک ارتقائی الگورتھم؛
الیکٹرانز، ایٹمی ارتعاشات اور ان کے باہمی ربط (coupling) کے کوانٹم میکانیکی حسابات، جو ایک معیاری فارمولے کے ذریعے Tc دیتے ہیں؛
300 کیلون پر سالماتی حرکیات (molecular dynamics)، یہ جانچنے کے لیے کہ ایٹموں کے ہلنے پر ساختیں برقرار رہتی ہیں یا نہیں۔

کوئی نمونہ تیار یا ناپا نہیں گیا۔

دو قلمیں، دو رویے

حسابات ایک بھرا ہوا منظرنامہ سامنے لاتے ہیں: 50 گیگا پاسکل پر 15 مختلف ساختیں مستحکم ہیں، جن میں سے زیادہ تر دو بنیادی شکلوں کی قریبی رشتے دار ہیں۔ دونوں میں ہائیڈروجن ذرا سے کھنچے ہوئے جوڑوں میں ہوتی ہے۔

مکعبی شکل کے بارے میں پیشگوئی ہے کہ وہ 50 گیگا پاسکل پر 230 کیلون تک سپر کنڈکٹر رہے گی — نصف میگابار پر تقریباً −43 °C — اور 200 گیگا پاسکل پر بھی 215 کیلون تک۔
رومبوہیڈرل شکل 10 گیگا پاسکل تک مستحکم رہتی ہے، جہاں اس کا متوقع Tc 34 کیلون ہے۔ اسے دبائیں تو Tc تیزی سے بڑھتا ہے: 50 گیگا پاسکل پر 99 کیلون، 90 پر 157، یعنی تقریباً 1.6 کیلون فی گیگا پاسکل۔

ایک شرط ہے جو مصنفین واضح طور پر بتاتے ہیں۔ 50 گیگا پاسکل پر 230 کیلون والی مکعبی شکل سب سے مستحکم ترتیب نہیں: یہ اس توانائی سے ذرا اوپر ہے جو اسے سادہ تر سوڈیم ہائیڈرائیڈ اور ہائیڈروجن میں ٹوٹنے کے لیے درکار ہے۔ یہ اس ٹوٹ پھوٹ کے خلاف صرف 60 گیگا پاسکل سے اوپر مستحکم ہوتی ہے، اور دونوں شکلیں تقریباً 114 گیگا پاسکل پر جگہیں بدلتی ہیں۔ 300 کیلون پر سالماتی حرکیات میں مکعبی شکل برقرار رہتی ہے — ایک سیکنڈ کے چند کھربویں حصوں تک۔

جوڑوں میں ہائیڈروجن جو مدد کرتی ہے

سب سے غیر معمولی دریافت اس کا میکانزم ہے۔ جوڑے سپر کنڈکٹیویٹی کو نہیں روکتے۔ ہر وہ ارتعاش جو الیکٹرانز سے مضبوطی سے جڑتا ہے، وہی ہے جو رامن اسپیکٹروسکوپی میں نظر آئے گا، جو تجربہ گاہ کی ایک عام تکنیک ہے؛ باقی ارتعاشات بمشکل جڑتے ہیں۔ 200 گیگا پاسکل پر 102 دیگر ہائیڈرائیڈز کی جانچ کر کے مصنفین نے یہی رجحان پایا: رامن فعال ارتعاشات اوسطاً باقیوں سے تقریباً 40 گنا زیادہ مضبوطی سے جڑتے ہیں۔

رومبوہیڈرل شکل میں دباؤ ہائیڈروجن کے جوڑوں کو جھکا دیتا ہے، 10 گیگا پاسکل پر 4 درجے سے 90 پر 21 درجے تک۔ جیسے جیسے وہ جھکتے ہیں، کلیدی ارتعاشات زیادہ مضبوطی سے جڑتے ہیں — بڑھتے ہوئے Tc کے ساتھ قدم ملا کر، جبکہ الیکٹرانی ساخت بمشکل بدلتی ہے۔ ایک سادہ جیومیٹریائی ماڈل اس رجحان سے مطابقت رکھتا ہے، اگرچہ مصنفین زور دیتے ہیں کہ یہ ایک تشریح ہے، ثبوت نہیں۔

اسکرین سے تجربہ گاہ تک

یہ پیشگوئیاں ہیں۔ شمار کیے گئے درجۂ حرارت ایک معیاری مگر قابلِ تبدیل پیرامیٹر پر منحصر ہیں، اور 50 گیگا پاسکل اب بھی تقریباً پانچ لاکھ کرۂ ہوائی کے برابر ہے۔ اگر تصدیق ہو جائے تو NaH6 یہ ظاہر کرے گا کہ ہائیڈروجن کے جوڑوں کی سمت بندی ہائیڈرائیڈ سپر کنڈکٹرز کے ڈیزائن کے لیے ایک نیا کنٹرول ہے۔ اگلی بات تجربہ کاروں کو کہنی ہے۔