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

Супергидрид празеодима не стал высокотемпературным сверхпроводником

Ячейка кристаллической решетки тригидрида празеодима при давлении 50 гигапаскалей

Di Zhou et al. / Science Advances, 2020

Ученые из России и Китая синтезировали при высоком давлении и температуре и изучили свойства супергидрида празеодима — элемента ряда лантанидов. Ученым удалось получить моногидрид, два тригидрида с разными кристаллическими решетками и два супергидрида с девятью атомами водорода. Зарегистрировать нулевое сопротивление супергидридов не удалось, однако авторы утверждают, что критическая температура PrH9 ниже девяти кельвинов. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

В 2004 году ученые предположили, что соединения, богатые водородом, могут стать высокотемпературными сверхпроводниками, так как влияние другого элемента на водород может стать эффективным способом снизить давление, необходимое для того, чтобы водород приобрел металлические свойства. Значение критической температуры сверхпроводимости определяют три фактора: характеристическая фононная чистота, электрон-фононные взаимодействия и кулоновский псевдопотенциал. Сверхпроводимость таких гидридов объясняют возникновением электрон-фононных взаимодействий. Недавние теоретические исследования предсказали наличие высокотемпературной сверхпроводимости у некоторых супергидридов металлов (кальция, магния, иттрия, актиния и тория).

Одним из перспективных соединений этого ряда являются соединения водорода с лантанидом празеодимом. Этот элемент может в нормальных условиях образовывать дигидрид и с гранецентрированной кубической кристаллической решеткой и тригидрид с гексагональной плотной упаковкой. Последующее заполнение октаэдрических пустот в решетке дигидрида приводит к образованию магнитных соединений нестехиометрического состава.

Группа ученых из России и Китая при участии Артема Оганова (Artem R. Oganov) из Сколковского института науки и технологий синтезировала в условиях высокой температуры и давления и изучила поведение гидридов празеодима при давлении выше ста гигапаскалей, а также свойства сверхпроводимости. Исследователи провели серию теоретических расчетов и сравнили их с известными данными. Оказалось, что предсказание кристаллической структуры с помощью программы USPEX, разработанной Огановым, очень зависело от учета магнетизма и спин-орбитальных взаимодействий в структуре.

При смешении водорода с празеодимом в ячейке с алмазными наковальнями при высокой температуре и давлении от 0 до 130 гигапаскалей авторам удалось синтезировать два новых супергидрида празеодима с разными кристаллическими решетками, а также два тригидрида и моногидрид. Структуру кристалла авторы работы изучали методом рентгеновской дифракции. При давлении выше 40 гигапаскалей алмазы ломались из-за просачивания в них водорода, поэтому авторы проводили дальнейшие эксперименты, смешивая празеодим с бораном аммиака (NH3BH3), который при разложении становился источником чистого водорода.

При давлении в 50 гигапаскалей кристаллическая структура тригидрида изменилась, каждый атом празеодима связывался с девятью атомами водорода. При давлении в 115 гигапаскалей и температуре 1650 кельвин образовывались супергидриды с девятью атомами водорода, образование одного из которых оказалось неожиданным для ученых, так как энергия перехода одной структуры супергидрида в другую метастабильную оказалась на уровне ошибки теоретических расчетов.

Исследования сопротивления полученных материалов указали на то, что оба супергидрида PrH9 могут проявлять сверхпроводимость при температуре ниже девяти кельвинов, что совпадает с теоретическими расчетами и намного ниже критической температуры супергидрида лантана LaH10 (280 кельвин при давлении 2 миллиона атмосфер).

В силу технических сложностей проведения экспериментов исследователям не удалось построить зависимость критической температуры от давления и пронаблюдать нулевое сопротивление образцов материала со сложной геометрией и смешанными фазами. Исследования магнитных свойств показали, что все полученные структуры магнитны, однако тетрагональный тригидрид и обе фазы супергидрида теряют свойства под большим давлением.

По полученным данным, в гидридах празеодима магнитный порядок и вероятная сверхпроводимость сосуществуют в очень узком диапазоне давлений, что может оказывать влияние на низкую температуру перехода в сверхпроводящее состояние.

Сравнивая характеристики новых соединений со свойствами супергидридов церия и лантана исследователи оценили какое большое влияние имеет атом металла на сверхпроводимость супергидридов: в ряду La-Ce-Pr сверхпроводимость уменьшается, а магнетизм становится более выраженным. Атомы металла не только становятся донорами электронов в подрешетку металлического водорода, но также определяют критическую температуру.

Изучение супергидридридов относительно молодая область. Прошлой осенью стало известно об успешном синтезе супергидрида церия. А меньше года назад удалось подтвердить сверхпроводимость супергидрида лантана. О поведении некоторых других веществ, в том числе чистого водорода, под высоким давлением можно прочитать в нашем материале «Путешествие к центру Земли».

Алина Кротова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.