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
В ловушку Пауля уместилось 105 ионов кальция
Австрийские физики смогли собрать в ловушке Пауля двумерный ионный кристалл, состоящий из 105 ионов кальция — это самый большой показатель на сегодняшний день. Кристалл был стабилен в течение нескольких секунд, также физикам удалось добиться охлаждения ионов в основное колебательное состояние и доступа к отдельным частицам. В перспективе это позволит существенно расширить квантовые вычисления и квантовые симуляции на ионных массивах. Исследование опубликовано в PRX QUANTUM. Массивы ионов, выстроенные в ловушках — это перспективная система для квантовых вычислений и квантовых симуляций. Ионы хороши тем, что взаимодействуют друг с другом сильно, а также позволяют удерживать себя электрическими и магнитными полями. За счет этого вычислители на ионах можно сделать компактнее. Одна из главный проблем этой технологии — масштабируемость. Рекордные 53 иона были собраны группой Монро еще в 2017 году, и дальнейший рост сталкивается с целым рядом технических трудностей. Их можно было бы преодолеть, собирая двумерные упорядоченные структуры. Такие эксперименты проводились, однако тогда физики не имели доступа к управлению отдельными ионами из-за особенностей удерживающих ловушек. Ситуация изменилась благодаря работе физиков из Инсбрукского университета. Ученые смогли собрать устойчивую двумерную структуру из 105 ионов кальция, удерживаемых монолитной радиочастотной ловушкой Пауля. Им также удалось перевести такой кулоновский кристалл в основное состояние по поперечным колебательным модам, что необходимо для реализации разнообразных протоколов запутывания. Большая трудность, которая встает на пути удержания двумерных массивов паулевой ловушкой — это высокая чувствительность ионов в неточности расположения ее элементов. Для борьбы с этой проблемой, физики использовали монолитный подход, в котором все элементы ловушки остаются частью одного твердого тела, а потому практически не смещаются относительно друг друга. Авторы изготавливали электроды таким образом, чтобы сформировать плоский анизотропный потенциал, из-за чего ионный кристалл принимал эллиптическую форму. Их установка давала лазерным лучам доступ к ионам в широком диапазоне углов, что позволило эффективно проводить манипуляции и визуализацию кристалла. В начале эксперимента физики подвергали лазерной абляции твердотельный кальциевый образец. Они облучали испущенные атомы ионизирующим лучом, после чего ионы попадали в область ловушечных потенциалов, где в течение минуты формировался кристалл. Ученые охлаждали его с помощью метода боковой полосы и метода электромагнитно-индуцированной прозрачности. В качестве кубитов авторы использовали несколько зеемановских подуровней. Для контроля отдельных ионов они фокусировали свет с помощью двухмерного акустооптического дефлектора. Оказалось, что время когерентности в таких кубитах может быть продлено до 370 миллисекунд при том, что сам кулоновский кристалл остается стабильным в течение нескольких секунд даже без лазерного охлаждения. Один из путей масштабирования квантовых вычислений на ионах — использовать кудиты вместо кубитов за счет нескольких уровней. Недавно мы рассказывали, как российские физики объединили два кукварта на основе ионов кальция и продемонстрировали на них универсальный набор квантовых операций.