NATRI VÀ HYDRO, MỘT CHẤT SIÊU DẪN TRÊN GIẤY

Một chất siêu dẫn dẫn dòng điện mà hoàn toàn không có điện trở, khi ở dưới một nhiệt độ tới hạn, Tc. Với các vật liệu giàu hydro, những con số kỷ lục thật ngoạn mục: H₃S và LaH₁₀ siêu dẫn trên 200 kelvin. Nhưng chúng chỉ làm được vậy khi bị nén ở khoảng một megabar, xấp xỉ một triệu lần áp suất khí quyển. Thách thức là đạt được hiệu năng tương tự ở áp suất thấp hơn.

Hydro có ích vì nó nhẹ: các nguyên tử của nó dao động ở tần số rất cao, và những dao động này có thể gắn kết các electron thành những cặp mang dòng siêu dẫn. Trong nhiều hydride tốt nhất, hydro không còn tạo thành phân tử H₂. Những hợp chất mà hydro vẫn ghép đôi từ lâu bị xem là ứng viên kém, vì liên kết mạnh bên trong mỗi cặp kéo các electron của nó ra khỏi cuộc chơi.

Một hợp chất tìm được nhờ sàng lọc

Tianran Chen, Đại học Tennessee, và Taner Yildirim, Trung tâm Nghiên cứu Neutron của NIST, trước đó đã đánh dấu natri hexahydride, NaH6, trong một cuộc tìm kiếm bằng máy tính trên hơn 100.000 cấu trúc giàu hydro. Một nghiên cứu độc lập cũng đã dự đoán Tc cao cho nó. Lần này, họ khảo sát nó một cách sâu sắc — hoàn toàn bằng tính toán:

một thuật toán tiến hóa để tìm ra những cách sắp xếp tinh thể thuận lợi nhất ở mỗi áp suất;
các tính toán cơ học lượng tử về electron, dao động nguyên tử và sự liên kết giữa chúng, cho ra Tc thông qua một công thức tiêu chuẩn;
động lực học phân tử ở 300 kelvin, để kiểm tra rằng các cấu trúc vẫn giữ vững khi nguyên tử rung lắc.

Không mẫu nào được tổng hợp hay đo đạc.

Hai tinh thể, hai hành vi

Các tính toán hé lộ một bức tranh đông đúc: ở 50 gigapascal, có 15 cấu trúc khác nhau ổn định, phần lớn là họ hàng gần của hai dạng chính. Trong cả hai, hydro nằm trong những cặp hơi bị kéo giãn.

Dạng lập phương được dự đoán siêu dẫn tới 230 kelvin ở 50 gigapascal — khoảng −43 °C ở nửa megabar — và vẫn 215 kelvin ở 200 gigapascal.
Dạng mặt thoi (rhombohedral) vẫn ổn định khi hạ xuống tới 10 gigapascal, nơi Tc dự đoán của nó là 34 kelvin. Nén nó lại và Tc tăng nhanh: 99 kelvin ở 50 gigapascal, 157 ở 90, khoảng 1,6 kelvin cho mỗi gigapascal.

Có một vướng mắc mà các tác giả nói rõ. Ở 50 gigapascal, dạng lập phương 230 kelvin không phải là cách sắp xếp bền nhất: nó nằm hơi cao hơn mức năng lượng cần để phân rã thành natri hydride đơn giản hơn và hydro. Nó chỉ trở nên bền trước sự phân rã đó khi trên 60 gigapascal, và hai dạng đổi chỗ cho nhau quanh 114 gigapascal. Trong mô phỏng động lực học phân tử ở 300 kelvin, dạng lập phương vẫn nguyên vẹn — trong vài phần nghìn tỷ giây.

Hydro ghép đôi lại có ích

Phát hiện khác thường nhất là cơ chế. Các cặp không cản trở tính siêu dẫn. Mọi dao động liên kết mạnh với electron đều là dao động sẽ hiện ra trong quang phổ Raman, một kỹ thuật phòng thí nghiệm phổ biến; những dao động khác hầu như không liên kết. Khi kiểm tra 102 hydride khác ở 200 gigapascal, các tác giả thấy cùng một quy luật: dao động hoạt động Raman liên kết mạnh hơn trung bình khoảng 40 lần so với phần còn lại.

Ở dạng mặt thoi, áp suất làm các cặp hydro nghiêng đi, từ 4 độ ở 10 gigapascal lên 21 độ ở 90. Khi chúng nghiêng, những dao động then chốt liên kết mạnh hơn — đồng bộ với Tc đang tăng, trong khi cấu trúc điện tử hầu như không đổi. Một mô hình hình học đơn giản khớp với xu hướng này, dù các tác giả nhấn mạnh đó là một cách diễn giải, không phải một bằng chứng.

Từ màn hình tới phòng thí nghiệm

Đây là những dự đoán. Các nhiệt độ tính được phụ thuộc vào một tham số tiêu chuẩn nhưng có thể điều chỉnh, và 50 gigapascal vẫn là khoảng nửa triệu atmosphere. Nếu được xác nhận, NaH6 sẽ cho thấy hướng của các cặp hydro là một núm vặn mới để thiết kế các chất siêu dẫn hydride. Lời tiếp theo thuộc về các nhà thực nghiệm.