Категории: Технологии

Сверхпроводимость добралась до комнатной температуры

Лайнуть/Поделиться

Американские физики обнаружили сверхпроводимость у углеродсодержащего сероводорода при комнатной температуре. Сверхпроводимость твердого материала на основе сероводорода H3S и метана CH4 сохраняется до 15 градусов Цельсия, однако эффект наблюдается при давлении больше 1,4 миллиона атмосфер. Сверхпроводник представляет собой твердую фазу включения с максимальной критической температурой при давлении 2,67 миллиона атмосфер, пишут ученые в Nature.

Традиционно сверхпроводимость — возможность проводить электрический ток с нулевым сопротивлением — считалась свойством материала, которое можно наблюдать только при совсем низких температурах. Первое поколение сверхпроводников теряло сверхпроводимость при температурах лишь на 30 градусов выше абсолютного нуля (это не больше −240 градусов Цельсия). В 80-е годы XX века были обнаружены первые «высокотемпературные сверхпроводники» — керамические материалы на основе смешанного оксида меди. Они теряют сверхпроводимость уже при значительно более высоких температурах, но все еще заметно ниже комнатной: так, в течение двух десятилетий рекордсменом высокотемпературной сверхпроводимости был купрат состава HgBa2Ca2Cu3O8+x, с температурой перехода −109 градусов Цельсия.

Принципиально новый тип высокотемпературных сверхпроводников был открыт в середине 2010-х годов: оказалось, что при экстремально высоких давлениях — более 1 миллиона атмосфер — гидриды многих элементов остаются в сверхпроводящем состоянии до очень высоких температур. Так, несколько лет материалом с самой высокой критической температурой был сероводород состава H3S, до последнего момента подтвержденный рекорд перехода — всего −23 градусов Цельсия — принадлежал гидриду лантана LaH10. Следы сверхпроводимости находили и при −13 градусах.

Американские физики под руководством Ранги Диаса (Ranga P. Dias) из Рочестерского университета впервые синтезировали высокотемпературный сверхпроводник, который сохраняет свои свойства вплоть до комнатной температуры. Полученный материал представляет собой кристалл на основе сероводорода и метана с повышенным содержанием водорода. Максимальную критическую температуру для него авторы работы зарегистрировали при давлении 2,67 миллиона атмосфер — она составила 287,7 кельвина (это примерно 15 градусов Цельсия). Для получения и анализа сверхпроводящего углеродсодержащего сероводорода ученые использовали ячейку с алмазной наковальней — камеру с образцом, которая зажимается между гранями двух алмазов и позволяет наблюдать за твердыми материалами при давлениях до нескольких миллионов атмосфер.

Схема синтеза и анализа сверхпроводящего материала в ячейке с алмазной наковальней. (Michael Osadciw)

Известно, что и метан, и сероводород могут образовывать при высоких давлениях устойчивые соединения с водородом, в которых гидрид выступает в роли матрицы, а молекулы водорода — включений внутри нее. Согласно теории Мигдала-Элиашберга, подобные материалы считаются перспективными кандидатами в сверхпроводники при высоких давлениях за счет сильного электрон-фононного связывания, которое приводит к образованию куперовских пар. При сжатии сам метан разрушается при давлении выше 5 миллионов атмосфер, так и не достигнув сверхпроводящего состояния, однако в тройной системе CH4-H2S-H2 эту проблему удалось решить. В результате ученым удалось получить устойчивое соединение с более высокой критической температурой, чем у бинарного гидрида серы.

Кристаллическая структура сверхпроводящей фазы включения H2S-H2. В тройной системе часть молекул сероводорода в этой структуре заменяется молекулами метана. (Elliot Snider et al. / Nature, 2020)

Необходимый сверхпроводящий материал синтезировали в ходе фотохимической реакции из смеси водорода, сероводорода и метана. Еще при сравнительно низких давлениях за счет вандерваальсового взаимодействия молекулы метана и сероводорода в такой смеси выстраиваются в цепочки, которые при дальнейшем сжатии образуются структуру типа «хозяин-гость». При давлениях в несколько миллионов атмосфер блоки метана и сероводорода (поскольку имеют практически одинаковый размер) формируют единую матрицу, в которой занимают равнозначные положения, а молекулы водорода фактически находятся в порах этой матрицы.

Слева: зависимость сопротивления от температуры для образцов S-C-H при различных давлениях; посередине: микрофотографии образцов сверхпроводника; справа: зависимость критической температуры сверхпроводимости от давления. (Elliot Snider et al. / Nature, 2020)

Фазовый состав и структуру полученных соединений ученые исследовали с помощью рентгеновского анализа и рамановской спектроскопии, а для анализа критических параметров сверхпроводимости измерили, как у полученного вещества при различных давлениях меняются электрическое сопротивление и магнитная восприимчивость в зависимости от температуры. Оказалось, оптимальное соотношение метана, сероводорода и водорода в материале — строго стехиометрическое 1:1:1.

Самая высокая температура перехода — 287,7 кельвина (это примерно 15 градусов Цельсия) — оказалась характерна для фазы при давлении 2,67 миллиона атмосфер, однако сверхпроводящее состояние для такого соединения сохраняется в довольно широком диапазоне давлений: от 1,4 до 2,8 миллиона атмосфер. При увеличении внешнего магнитного поля критическая температура сверхпроводимости снижается и при поле 9 тесла опускается до -5 градусов Цельсия. При этом согласно теоретическим моделям сверхпроводимость этого материала должна сохраняться вплоть до 62 тесла.

По словам авторов работы, за счет правильного подбора состава тройных гидридов возможно и дальнейшее повышение критической температуры. Однако главная задача на сегодняшний день — снижение давления, необходимого для синтеза и использования этих материалов.

Еще большая критическая температура сверхпроводимости теоретически предсказана для другого тройного гидрида. Согласно данным моделирования, в соединении Li2MgH16 сверхпроводимость должна сохраняться вплоть до 200 градусов Цельсия. Такое состояние ожидается при давлении около 2,5 миллиона атмосфер.

DOI: 10.1038/s41586-020-2801-z

Текст: Александр Дубов | Источник: N+1

Редакция

Опубликовала
Редакция

Недавние публикации

Инструмент AI отслеживает время, которое политики проводят в своих телефонах

Этот удобный инструмент использует машинное обучение и распознавание лиц для измерения. Разработчик из Бельгии, Дрис… Читать далее

08/07/2021

Псилоцибин увеличивает число нейронных связей на 10%

Псилоцибин вызывает быстрый и стойкий рост дендритных шипов в лобной коре in vivo. Структурное ремоделирование, вызванное… Читать далее

07/07/2021

Женщины не пожалели о сделанном аборте годы спустя

В течение пяти лет после сделанного аборта большинство женщин не жалеют о своем решении —… Читать далее

04/07/2021

Отбор эмбрионов, направленный на обеспечение интеллекта детей. Реальная услуга с сомнительными результатами

В специальном отчете, опубликованном в New England Journal of Medicine, возникают серьезные вопросы о преимуществах, рисках и… Читать далее

03/07/2021

CRISPR, введенный в кровь, впервые лечит генетическое заболевание

Редактор генов CRISPR отлично справляется с фиксацией болезненных мутаций в выращенных в лаборатории клетках. Но использование… Читать далее

27/06/2021

Микробные фермы на солнечных батареях, как альтернативный источник белка

Ученые обнаружили, что микробы могут производить в 10 раз больше пищи, чем растения. Идея исследователей… Читать далее

27/06/2021