Ученые втрое понизили давление высокотемпературного сверхпроводящего перехода легких гидридов

Сверхпроводимость — явление, при котором электрическое сопротивление материала падает до нуля, а выделение тепла от протекания тока полностью пропадает. Если оно войдет в широкий обиход, мир испытает технологическую революцию. Никакого разогрева обмоток трансформаторов, никаких процентов электроэнергии, потерянных в проводах ЛЭП. В разы уменьшившиеся габариты зарядников и моторов, магнитная левитация в каждом доме и многое другое, чего мы пока не можем вообразить, — все это может стать реальностью.

К сожалению, обычно сверхпроводимость наблюдается только при очень низких температурах. Ее открыл голландский физик Камерлинг-Оннес в 1908 году, изменяя электрическое сопротивление ртути в жидком гелии при минус 270,15 градусах Цельсия, или на три градуса выше абсолютного нуля. Для широкого применения сверхпроводимости температуру перехода нужно поднять выше комнатной, то есть в сотню раз.

Механизм возникновения сверхпроводимости установили только в середине XX века, а некоторые ее виды остаются не до конца понятными до сих пор. Но вскоре после ртути ее обнаружили и в других веществах — при температурах в несколько раз выше, чем у нее. Неудивительно, что ученые искали рецепт высокотемпературной сверхпроводимости почти как алхимики в Средние века — рецепт философского камня: подчас — простым перебором.

Зависимость температуры сверхпроводящего перехода материалов от года обнаружения сверхпроводимости в них. По вертикали — температура в кельвинах (градусах от абсолютного ноля; 0оС = 273,15 кельвина). Справа по вертикали отмечены распространенные хладагенты (гелий, водород, азот и четырехфтористый углерод), а также комнатная температура. Символы обозначают тип сверхпроводимости: зеленый кружок — «классическая», синий ромб — купратная высокотемпературная. / © wikipedia.org

В 1980-х случился прорыв: была найдена высокотемпературная сверхпроводимость материалов из сложной оксидной керамики на основе купратов (окислов меди), сохраняющаяся при температуре жидкого азота (77 кельвинов, или минус 196 градусов Цельсия). Купраты оказались настолько хрупкими и сложными в приготовлении, что и сейчас сверхпроводящие изделия из них делают немногие. Традиционная сверхпроводящая техника, такая как магниты в аппаратах МРТ, до сих пор работает на более устойчивых материалах и жидком гелии.

Но открытие купратов подстегнуло исследователей, и при этом одно из магистральных направлений поиска все-таки было известно. Классическая теория сверхпроводимости гласит, что в сверхпроводниках электроны объединяются в пары за счет взаимодействия с фононами — квантами колебания кристаллической решетки. Чем легче атомы решетки — тем легче распространяющемуся в ней электрону «подвинуть» положительно заряженные атомы в ней и «поймать» таким образом другой электрон в пару.

Упрощенная схема образования пар электронов в сверхпроводнике. Один электрон, распространяясь по кристаллической решетке, притягивает ионы, создавая за собой область положительного заряда. Другой электрон притягивается этой областью / © https://courses.physics.illinois.edu/phys498art/sp2018/PHYS489ART_SC_KP.pdf

На этот процесс влияет еще множество других факторов, но по расчетам, у металлического водорода, самого легкого элемента, температура сверхпроводящего перехода могла оказаться заметно выше комнатной. Незадача в том, что водород становится металлом при давлении четырех миллионов атмосфер — больше, чем в центре Земли. Причем даже в таких условиях металлизация, судя по всему, проходит не до конца и пропадает при снижении давления.

Недавно ученые задумались о богатых водородом материалах, которые могли бы вести себя почти как металлический водород. Исследования дали плоды: оказалось, под давлением редкоземельный элемент лантан соединяется с гораздо большим количеством водорода, чем в обычных условиях, и образует соединение LaH10.

В 2019 году у него нашли сверхпроводимость при 250 кельвинах (минус 23 градуса) и двух миллионах атмосфер. Всего через год был достигнут и рубеж комнатной температуры: смешанный супергидрид серы и углерода с приблизительным составом CSH8 оказался комнатным сверхпроводником при давлении 2,7 миллиона атмосфер.

На практике сверхпроводники, стабильные только при сверхвысоких давлениях, неприменимы, и следующей задачей стало снижение давления перехода. Здесь у ученых впереди непаханое поле: судя по всему, супергидриды может образовывать значительная часть таблицы Менделеева, исследования начались недавно, а достижения в этой области случаются часто.

Сотрудники Университета Невады в Лас-Вегасе (США), получившие комнатный сверхпроводник CSH8, не остановились на достигнутом. В новом исследовании, возглавленном Александром Смитом, они решили разобраться, как соотношение углерода и серы влияет на сверхпроводящие свойства смешанных супергидридов в системе C – S – H. Варьируя содержание элементов, они нашли состав с повышенной долей углерода в составе, давление перехода для которого оказалось почти втрое ниже — один миллион атмосфер. Температура сверхпроводимости при этом составила около 191 кельвина (минус 82 градуса Цельсия).

Зависимость температуры сверхпроводящего перехода в кельвинах от давления в гигапаскалях (один гигапаскаль = 10 тысяч атмосфер) для первого комнатного сверхпроводника CSH8 (зеленые символы и линия) и для улучшенного состава (красные и синие символы). Небольшое количество новых данных обусловлено сложностями эксперимента: получением требуемого состава, синтезом супергидрида и измерениями / © Вспомогательные материалы к оригинальной статье.

Этот результат еще далек от «священного Грааля» охотников за сверхпроводимостью — материала, который не имеет электрического сопротивления при комнатных температуре и давлении. Но он демонстрирует, что еще есть куда стремиться.

Супергидриды в какой-то мере можно рассматривать как сплавы металлического водорода, чьи свойства могут сильно отличаться от него самого. В качестве возможных «присадок» пока исследована только малая доля таблицы Менделеева. Не исключено, что какой-нибудь из этих «сплавов» действительно окажется чем нужно или хотя бы не будет распадаться при давлении в сотню-другую тысяч атмосфер, достижимом внутри углеродных нанотрубок. Тогда, если куперовские пары электронов еще и смогут беспрепятственно туннелировать из одной трубки в другую через их стенки атомной толщины, из упакованного в трубки супергидридного сплава может получиться «свить» сверхпроводящий провод.