Сверхпроводимость сероводорода подтвердили в прямом эксперименте

Группа ученых из России, Германии и Франции впервые доказала наличие эффекта Мейснера в сероводороде с помощью прямого измерения, используя метод ядерного резонансного рассеяния синхротронного излучения. Предыдущие измерения требовали вычитания фоновых сигналов, значения которых во много раз превышали сигнал непосредственно от образца. Новая работа, таким образом, является наиболее убедительным на сегодняшний день доказательством наличия сверхпроводимости у обычного сероводорода, — открытия, которое стало неожиданностью в физике сверхпроводимости. Статья опубликована в журнале Science, кратко с ней можно ознакомиться в анонсе журнала.

Для доказательства сверхпроводимости в каком-либо соединении необходимо показать наличие в нем одновременно двух эффектов, проявляющихся ниже критической температуры: 1) резкое падение сопротивления материала до значений, экспериментально неотличимых от нуля; 2) и эффект Мейснера — выталкивание магнитного поля из объема сверхпроводника, то есть проявление сильного диамагнетизма ниже критической температуры.

Обычно доказательством эффекта Мейснера является скачок на температурной кривой магнитной восприимчивости вещества: ниже критической температуры она становится отрицательной, что соответствует диамагнитным свойствам. Но при этом величина эффекта в сверхпроводниках гораздо выше, чем в обычных диамагнетиках: сверхпроводники могут практически полностью выталкивать магнитное поле из своего объема. Наиболее часто для прямого измерения намагниченности и эффекта Мейснера используют СКВИД-магнитометры. Главным элементом этого прибора является сверхпроводящее кольцо со специальными дефектами (их называют джозефсоновскими контактами), благодаря которым оно становится одним из самых чувствительных датчиков намагниченности.

Но при таких высоких давлениях, при которых сероводород становится сверхпроводником — больше 150 гигапаскалей — поставить прямой эксперимент с помощью подобного прибора является нетривиальной задачей. Высокая чувствительность СКВИДа и условия его работы в этом случае являются помехой, поскольку получению сигнала непосредственно от образца будет мешать установка высокого давления. В предыдущей экспериментальной работе по доказательству сверхпроводимости в H₂S увидеть скачок намагниченности для образца без вычитания «фона», создаваемого ячейкой высокого давления, оказалось невозможно.

Авторы новой работы смогли «увидеть» выталкивание магнитного поля из сероводорода без необходимости вычитания фоновых сигналов. Для этого они использовали другое физическое явление — эффект Мёссбауэра. Он состоит в резонансном испускании или поглощении гамма-излучения некоторыми атомами (их так и называют, мёссбауэровскими) без изменения колебательного спектра этих атомов, или, другими словами, без отдачи. Результаты измерений, основанных на этом эффекте, сильно зависят от множества факторов: в частности, на них может влиять расщепление ядерных энергетических уровней, которое происходит при приложении внешнего магнитного поля.

В эксперименте помимо сероводорода ученые поместили в ячейку высокого давления пластинку из мёссбауэровского изотопа ¹¹⁹Sn, которая выступала в качестве «детектора» магнитного поля. Если сероводород находился не в сверхпроводящем состоянии, магнитное поле попадало и в «детектор», это приводило к расщеплению ядерных уровней атома олова, и ученые видели характерный для этого случая отклик. Если же образец охлаждали ниже критической температуры, при приложении магнитного поля он выталкивал его из своего объема, и характерного расщепление ядерных уровней не происходило. Ученые считают, что подобный эксперимент является прямым доказательством наличия эффекта Мейснера в сверхпроводящем сероводороде.

Недавние экспериментальные исследования сероводорода показали, что под давлением около 153 ГПа становится возможным его переход в сверхпроводящее состояние. При этом критическая температура такого сверхпроводника — 203 кельвина или −70°С — побила предыдущий рекорд 1993 года для соединения HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+x почти на 40°С (при повышенном давлении температура перехода в сверхпроводящее состояние составляет 164 кельвина (-109 °C)). По мнению ученых, поиск новых сверхпроводников с высокой критической температурой поможет преодолеть трудности их практического применения, вызванные необходимостью их дорогостоящего охлаждения.