Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Супергидрид церия отличился плотно упакованными атомами водорода

Изображение на базе иллюстрации, предоставленной пресс-службой МФТИ (автор tsarcyanide)

Ученые из США, России и Китая получили запрещенное классической химией соединение водорода и церия — супергидрид СеН₉. В нем предсказывается сверхпроводимость при сравнительно низком для соединений водорода давлении в один миллион атмосфер. Близость атомов водорода в этом соединении уступает лишь чистому веществу, что делает его интересной системой для изучения сверхпроводимости в гидридах, пишут авторы в журнале Nature Communications.

Исторически первым способом перевода веществ в сверхпроводящее состояние было охлаждение до экстремально низких температур порядка нескольких кельвинов. В течение XX века было открыто несколько типов сверхпроводников, некоторые из которых сохраняют свое состояние при температуре и выше 100 кельвинов (-173,15 градусов Цельсия), что по-прежнему достаточно далеко от нормальных условий.

Значительное развитие в последние годы получил альтернативный способ достижения сверхпроводимости, связанный с применением высоких давлений. В основном это обусловлено предсказанием рекордно высокой температуры сверхпроводимости для чистого металлического водорода: считается, что он может проводить ток без потерь и при комнатной температуре.

В некотором смысле водород является идеальным сверхпроводником, так как ему одновременно свойственны высокие частоты фононов, сильное спаривание между электронами и фононами и высокая плотность состояний на уровне Ферми — все необходимые условия для возникновения классической сверхпроводимости по механизму образования куперовских пар в теории Бардина – Купера – Шриффера. Однако такие свойства водород должен приобретать лишь при давлениях около пяти миллионов атмосфер, что находится на переделе современных возможностей.

В связи с этим ученые пытаются синтезировать гидриды — бинарные соединения водорода с другим элементом. Целью является получение вещества с как можно большим содержанием водорода, которое при этом может проявлять близкие к чистому элементу свойства и, следовательно, быть сверхпроводником при приемлемой температуре. В то же время добавление нового элемента может значительно снизить требуемое для перехода давление.

В работе исследователи под руководством профессора Сколтеха и Московского физико-технического института Артёма Оганова теоретически изучали соединения водорода с церием и синтезировали новые фазы. В частности, авторам удалось получить неизвестные ранее вещества CeH3 и CeH9. Последнее соединение, которое является супергидридом (содержит много атомов водорода), оказалось интересным с точки зрения изучения сверхпроводимости.

Из микроскопического куска металла и вещества, выделяющего при нагревании газообразный водород, ученые синтезировали супергидрид церия в ячейке с алмазными наковальнями. Для проведения реакции образец сжимали между двумя плоскими алмазами, достигая необходимого давления в 80–100 гигапаскалей (0,8–1 миллиона атмосфер), при этом нагревая лазером содержащий водород реагент. По мере увеличения давления в камере образовывались гидриды церия со все большим содержанием водорода: CeH2, CeH3 и так далее.

Для экспериментального подтверждения теоретически предсказанных структур новых веществ исследователи использовали рентгенодифракционный анализ. Кристаллическая решетка CeH9 обладает похожим на клатраты строением: каждый атом церия окружен сферической клеткой из 29 атомов водорода. При этом атомы водорода связаны между собой ковалентными связями — как в молекуле газообразного водорода H2, но несколько слабее, — а атомы церия занимают предоставленные им полости.

Авторы отмечают, что расстояние между атомами водорода в CeH9 составило всего 1,116 ангстрема, что значительно больше длины связи в газообразной молекуле водорода (0,74 ангстрема), но заметно меньше, чем у других гидридов. Из соединений водорода с предсказываемой сверхпроводимостью CeH9 оказался вторым по этому параметру после самого металлического водорода, в котором атомы находятся на расстоянии 0,98 ангстрема.

Моделирование взаимодействия атомов в веществе позволило сделать новое предсказание о температуре сверхпроводящего перехода: 105–117 кельвинов при двух миллионах атмосфер и 63–75 кельвинов при одном миллионе. По словам авторов, эти условия лучше подходят для детального изучения сверхпроводимости в гидридах, чем для полученных ранее соединений, таких как H3S или LaH10.

Помимо этого, ученые надеются, что в дальнейших работах удастся синтезировать соединения с еще большим относительным содержанием водорода, а также подробно исследовать тернарные гидриды, то есть соединения водорода с двумя другими элементами, потенциальное разнообразие которых намного выше, чем у относительно хорошо изученных бинарных гидридов.

Недавно в тернарном соединении была предсказана сверхпроводимость при 200 градусах Цельсия и высоких давлениях, а текущий рекорд температуры принадлежит гидриду лантана — −23 градуса Цельсия.

Тимур Кешелава

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.