Физики увидели следы сверхпроводимости при температуре −13 градусов Цельсия

Сразу две группы ученых обнаружили, что гидрид лантана LaH₁₀ становится сверхпроводящим при рекордно высокой температуре. Первая группа утверждает, что температура перехода в сверхпроводящее состояние составляет T_c ≈ 215 кельвинов (−56°C). Вторая группа заявляет о еще большей температуре T_c ≈ 260 кельвинов (−13°C). Правда в обоих случаях образцы были под давлением в миллионы атмосфер. Препринты обеих работ выложены на сайте arXiv.org.

В январе 2019 статья второй группы была опубликована в Physical Review Letters, а Physics выпустил краткий обзор работы ученых.

Явление сверхпроводимости было открыто еще в 1911 году, когда голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес охладил образец ртути до температуры порядка трех градусов Кельвина (−270 по Цельсию) и обнаружил, что сопротивление металла обратилось в ноль. Впоследствии было установлено, что подобными необычными свойствами обладает не только ртуть, но и остальные металлы, а также более сложные соединения. Постепенно ученые находили материалы со все более и более высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние (эту температуру называют критической температурой). Очередной рекорд был установлен в 1993 году, когда физики синтезировали купрат HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+x, критическая температура которого достигала 164 кельвинов (—109 °C), что превысило температуру кипения жидкого азота. Если бы ученым удалось получить вещество, которое становится сверхпроводником уже при комнатной температуре, это привело бы к большому прогрессу в развитии техники — например, уменьшило потери при передаче электроэнергии и позволило изготовить легкие и сильные электромагниты. К сожалению, комнатная сверхпроводимость пока еще остается недостижимой мечтой.

В 2015 году группа физиков под руководством Михаила Еремца впервые за 20 лет установила новый рекорд высокотемпературной сверхпроводимости — исследователям удалось перевести сероводород H₃S в сверхпроводящее состояние, охладив его до температуры около 200 кельвинов (−70 градусов Цельсия) и сжав до давления порядка 150 гигапаскалей (1 гигапаскаль ≈ 10 тысяч атмосфер). Через год ученые подтвердили открытое явление в прямом эксперименте, избавившись от влияния фоновых сигналов.

Это открытие впервые подтвердило теорию Мигдала-Элиашберга (Migdal-Eliashberg theory), которая объясняет явление высокотемпературной сверхпроводимости связыванием электронов в пары за счет обмена фононами. Она предсказывает, что при достаточно высокой энергии фононов и достаточно сильной связи между фононами и электронами критическая температура сверхпроводника может быть очень большой. Например, она утверждает, что металлический водород переходит в сверхпроводящее состояние при температуре около 200–400 кельвинов и давлении порядка 5 миллионов атмосфер. Также ожидалось, что подобное поведение будет наблюдаться в веществах с большим содержанием водорода (гидридах). К сожалению, эти предсказания не всегда подтверждались на практике — например, метан CH₄ «разваливается на части» при давлении выше 5 миллионов атмосфер, так и не достигнув сверхпроводящего состояния.

К настоящему времени ученые проверили почти все бинарные гидриды, которые могли бы стать сверхпроводниками в соответствии с теорией Мигдала-Элиашберга, и постепенно переключаются на более сложные соединения. В частности, в прошлом году теоретики обнаружили сразу два семейства гидридов, критическая температура которых сравнима с комнатной — YH₁₀ (критическая температура T_c ≈ 320 кельвинов, давление P ≈ 2,5 миллиона атмосфер) и LaH₁₀ (T_c ≈ 280 кельвинов и P ≈ 2 миллионов атмосфер). Оба этих соединения имеют клатратную структуру: атомы водорода соединены друг с другом ковалентными связями и удерживают атомы металла в центре полостей с помощью ионных связей. К сожалению, чтобы изготовить эти соединения, нужно нагревать металлические образцы в водородной атмосфере до температуры порядка тысячи градусов Кельвина, параллельно поддерживая давление более двух миллионов атмосфер. Такие условия сложно создать и поддерживать, а потому синтезировать LaH₁₀ впервые удалось только в декабре 2017 года.

На этот раз группе ученых под руководством Михаила Еремца удалось не только синтезировать LaH₁₀, но и доказать, что соединение становится сверхпроводником при температуре порядка 215 Кельвинов. Чтобы изготовить соединение, физики помещали лантановый образец (чистота более 99,99 процентов) в водородную атмосферу с давлением около тысячи атмосфер, а затем сжимали его с помощью алмазной наковальни до давления порядка 1,7 миллиона атмосфер. Параллельно ученые следили за состояние образца с помощью рамановской спектроскопии — оказалось, что при давлении P > 1,46 миллиона атмосфер металлический лантан превращается в диэлектрик LaH₃. После этого исследователи нагрели образец до температуры чуть меньше тысячи градусов Кельвина с помощью YAG-лазера и измерили, как сопротивление образовавшегося материала меняется при последующем охлаждении.

В результате ученые обнаружили, что сопротивление резко падает практически до нуля при температуре около 215 кельвинов. Таким образом, критическая температура синтезированного образца превысила предыдущий рекорд высокотемпературной сверхпроводимости более чем на десять градусов. При падении давления ниже 1,5 атмосфер скачок сопротивления исчезал, а при повторном увеличении выше 1,6 атмосфер возникал снова, что указывало на изменение внутренней структуры образца. Авторы предполагают, что это изменение отвечает превращению образца в гидрид LaH₁₀, однако им не удалось подтвердить эту гипотезу независимым измерением.

Параллельно с работой группы Михаила Еремца группа на архиве препринтов была опубликована еще одна статья, посвященная высокотемпературной сверхпроводимости гидрида лантана. Авторы этой статьи утверждают, что им удалось увидеть признаки сверхпроводимости при температуре более 260 кельвинов — чуть меньше −10 градусов Цельсия! — в микрометровых образцах LaH₁₀, сжатых до давления более 200 гигапаскалей (два миллиона атмосфер). А именно, ученые зафиксировали значительное падение сопротивления образцов (более чем в тысячу раз) при охлаждении до указанной температуры. Более того, физики утверждают, что сопротивление отдельных образцов падало уже при температуре около 280 кельвинов, предсказанной теоретически, — то есть при температуре выше точки замерзания воды. Впрочем, результаты ученых пока еще не опубликованы в рецензируемом журнале, и их нужно тщательно перепроверить.

Подробно прочитать про различные механизмы сверхпроводимости можно в нашем материале «Ниже критической температуры», а про открытие сверхпроводников второго рода Алексеем Абрикосовым — в материале «Пионер сверхпроводимости». Также про историю исследования сверхпроводимости и практические применения сверхпроводников можно послушать в рассказах Владимира Пудалова, заведующего отделом высокотемпературной сверхпроводимости и наноструктур ФИАН.

Дмитрий Трунин