Физики подтвердили сверхпроводимость гидрида лантана при температуре −23 градуса Цельсия

A. P. Drozdov et al. / Nature, 2019

Группа физиков при участии российских ученых подтвердила сверхпроводимость гидрида латана LaH10 при температуре 250 кельвинов (−23 градуса Цельсия) и давлении 1,7 миллиона атмосфер. На этот раз исследователи не только увидели падение сопротивления образца ниже критической температуры, но также подтвердили изотопический эффект и зависимость критической температуры от напряженности магнитного поля. Кроме того, физики установили кристаллическую структуру рекордного сверхпроводника. Статья опубликована в Nature, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Несмотря на то, что явление сверхпроводимости было открыто более ста лет назад, физики до сих пор плохо понимают, как оно работает. «Стандартной» теорией сверхпроводимости является теория Бардина — Купера — Шриффера (БКШ), в которой сверхпроводящая фаза возникает за счет конденсации куперовских пар. Эта теория хорошо объясняет низкотемпературные свойства металлов и некоторых других соединений, однако плохо справляется с большинством сверхпроводников с критической температурой выше 30 кельвинов. Поэтому наравне с теорией БКШ физики разработали еще несколько десятков теорий сверхпроводимости, которые в целом разбиваются на две большие группы — теории со слабой связью и теории с межслойной связью. Даже существует специальный журнал, в котором публикуются такие теории (Journal of Superconductivity and Novel Magnetism). Правда, работоспособность большинства из этих теорий находится под вопросом.

К теориям высокотемпературной сверхпроводимости относится и полуфеменологическая теория Мигдала—Элиашберга (Migdal-Eliashberg theory) — по сути, модифицированная теория БКШ, в основе которое лежит образование куперовских пар за счет обмена фононами. Эта теория предсказывает, что при достаточно высокой энергии фононов и достаточно сильной связи между фононами и электронами критическая температура сверхпроводника может быть очень большой. При этом давление, при котором возникает сверхпроводящая фаза, как правило, составляет несколько миллионов атмосфер, а кристаллическая структура материала напоминает клатраты.

В частности, теория Элиашберга предсказала сверхпроводимость сероводорода H3S при температуре 203 кельвина (−70 градусов Цельсия) и давлении 1,5 миллиона атмосфер, что впоследствии подтвердилось на практике. Кроме того, с помощью численных расчетов в рамках этой теории за последние десять лет физики нашли еще несколько соединений с критической температурой выше 200 кельвинов: гидрид кальция CaH6 (Tc ~ 235 кельвинов, P ~ 1,5 миллиона атмосфер), гидрид лантана LaH10 (Tc ~ 280 кельвинов, P ~ 2 миллиона атмосфер) и гидрид иттрия YH10 (Tc ~ 320 кельвинов, P ~ 2,5 миллиона атмосфер). Последние два соединения потенциально могли стать долгожданными комнатными сверхпроводниками.

В августе прошлого года сразу две группы физиков подтвердили [1,2] эти предсказания в прямом эксперименте: обе группы увидели признаки сверхпроводимости гидрида лантана LaH10 при температуре 250 кельвинов и давлении 1,7 миллиона атмосфер. Эти значения немного ниже предсказаний теории, но совпадают с ней по порядку. К сожалению, более подробные измерения ученые тогда произвести не успели. В основном, физики видели только резкое падение сопротивление образца, сопровождающее охлаждение ниже критической температуры (подробно о работах ученых можно прочитать в нашей новости). Теперь же группа исследователей под руководством Михаила Еремца вернулась к измерениям с полученными образцами и подтвердила другие характерные эффекты, сопровождающие сверхпроводящую фазу — изотопический эффект и эффект Мейснера. Кроме того, ученые установили кристаллическую структуру рекордного сверхпроводника.

Вообще говоря, чтобы подтвердить эффект Мейснера, нужно измерить намагниченность образца и показать, что линии магнитного поля полностью из него вытесняются. К сожалению, для полученных образцов гидрида такое измерение невозможно: их диаметр не превышает двадцати микрометров, а намагниченность не может почувствовать даже самый точный СКВИД-магнетометр. Более того, образец должен находиться в алмазной наковальне, которая сжимает его до нужного давления. Тем не менее, сверхпроводящую природу этого эффекта также можно установить по зависимости критической температуры от напряженности внешнего магнитного поля: достаточно сильное магнитное поле проникает внутрь материала и разрушает сверхпроводящую фазу. Приближенно зависимость критического магнитного поля от критической температуры можно описать параболой. Как показал эксперимент, для гидрида лантана эта зависимость выполняется.

Интересно, что в разных опытах физики наблюдали резкое падение сопротивления образца не только при 250 кельвинах, но и при более низких температурах. Поэтому ученые предположили, что при их способе синтеза гидрида лантана может образоваться не одно, а несколько соединений с разной кристаллической решеткой. Чтобы проверить эту гипотезу, ученые провели рентгеноструктурный анализ. Другими словами, ученые просвечивали образцы рентгеном и измеряли положение дифракционных пиков при разных ориентациях кристалла, а потом восстанавливали по ним его кристаллическую структуру. Как и ожидалось, ученые обнаружили несколько фаз гидрида лантана. При этом фазе с максимальной критической температурой отвечала кубическая гранецентрическая решетка с группой Fm3m.

Чтобы подтвердить изотопический эффект, исследователи заместили атомы водорода в кристаллической решетке гидриде лантана атомами дейтерия. Точнее, ученые заново синтезировали соединения в дейтериевой атмосфере, а потом отобрали среди них образцы с подходящей кристаллической решеткой. Наконец, исследователи измерили критическую температуру полученных сверхпроводников LaD10. Эта температура составила примерно 180 кельвинов, что согласуется с изотопическим эффектом, который утверждает, что критическая температура сверхпроводника обратно пропорциональна корню массы изотопа, из которого он состоит.

Таким образом, группа Еремца подтвердила, что гидрид лантана LaH10 демонстрирует сразу несколько свойств сверхпроводника. Физики отмечают, что их работа подтверждает теории, предсказывающие высокотемпературную сверхпроводимость и кристаллическую структуру соединения. Поэтому исследователи считают, что в будущем она поможет найти настоящие комнатные сверхпроводники.

Стоит отметить, что в июле прошлого года индийские физики Дев Кумар Тапа (Dev Kumar Thapa) и Аншу Пандей (Anshu Pandey) заявили, что им удалось получить сверхпроводник при температуре −37 градусов Цельсия и нормальном давлении — для этого ученые охлаждали наноструктурированное серебро на золотой подложке. В отличие от гидрида лантана, для поддержания сверхпроводимости которого требуется огромное давление, разработка индийцев потенциально может иметь практические применение. Тем не менее, статья индийцев вызывает подозрения у других физиков; хуже того, исследователи отказались раскрывать детали эксперимента. К настоящему моменту статья физиков так и не опубликована в рецензируемом журнале и существует только в виде препринта. Поэтому говорить о практической комнатной сверхпроводимости пока что рано — сначала надо дождаться независимой проверки открытия Тапа и Пандея.

Про различные теории сверхпроводимости можно подробно прочитать в нашем материале «Ниже критической температуры». В частности, эта статья объясняет «стандартный» механизм Бардина — Купера — Шриффера, магнонный, экситонный и более экзотические механизмы. А про ранние этапы исследования сверхпроводимости — в частности, вклад Нобелевского лауреата Алексея Абрикосова — рассказывает материал «Пионер сверхпроводимости».

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.