Сверхпроводимость добралась до комнатной температуры

Американские физики обнаружили сверхпроводимость у углеродсодержащего сероводорода при комнатной температуре. Сверхпроводимость твердого материала на основе сероводорода H₃S и метана CH₄ сохраняется до 15 градусов Цельсия, однако эффект наблюдается при давлении больше 1,4 миллиона атмосфер. Сверхпроводник представляет собой твердую фазу включения с максимальной критической температурой при давлении 2,67 миллиона атмосфер, пишут ученые в Nature.

Обновлено: 26 сентября 2022 года статью сняли с публикации. Подробнее о причинах отзыва работы читайте в материале «Под давлением». 

Традиционно сверхпроводимость — возможность проводить электрический ток с нулевым сопротивлением — считалась свойством материала, которое можно наблюдать только при совсем низких температурах. Первое поколение сверхпроводников теряло сверхпроводимость при температурах лишь на 30 градусов выше абсолютного нуля (это не больше −240 градусов Цельсия). В 80-е годы XX века были обнаружены первые «высокотемпературные сверхпроводники» — керамические материалы на основе смешанного оксида меди. Они теряют сверхпроводимость уже при значительно более высоких температурах, но все еще заметно ниже комнатной: так, в течение двух десятилетий рекордсменом высокотемпературной сверхпроводимости был купрат состава HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+x, с температурой перехода −109 градусов Цельсия.

Принципиально новый тип высокотемпературных сверхпроводников был открыт в середине 2010-х годов: оказалось, что при экстремально высоких давлениях — более 1 миллиона атмосфер — гидриды многих элементов остаются в сверхпроводящем состоянии до очень высоких температур. Так, несколько лет материалом с самой высокой критической температурой был сероводород состава H₃S, до последнего момента подтвержденный рекорд перехода — всего −23 градусов Цельсия — принадлежал гидриду лантана LaH₁₀. Следы сверхпроводимости находили и при −13 градусах.

Американские физики под руководством Ранги Диаса (Ranga P. Dias) из Рочестерского университета впервые синтезировали высокотемпературный сверхпроводник, который сохраняет свои свойства вплоть до комнатной температуры. Полученный материал представляет собой кристалл на основе сероводорода и метана с повышенным содержанием водорода. Максимальную критическую температуру для него авторы работы зарегистрировали при давлении 2,67 миллиона атмосфер — она составила 287,7 кельвина (это примерно 15 градусов Цельсия). Для получения и анализа сверхпроводящего углеродсодержащего сероводорода ученые использовали ячейку с алмазной наковальней — камеру с образцом, которая зажимается между гранями двух алмазов и позволяет наблюдать за твердыми материалами при давлениях до нескольких миллионов атмосфер.

Известно, что и метан, и сероводород могут образовывать при высоких давлениях устойчивые соединения с водородом, в которых гидрид выступает в роли матрицы, а молекулы водорода — включений внутри нее. Согласно теории Мигдала-Элиашберга, подобные материалы считаются перспективными кандидатами в сверхпроводники при высоких давлениях за счет сильного электрон-фононного связывания, которое приводит к образованию куперовских пар. При сжатии сам метан разрушается при давлении выше 5 миллионов атмосфер, так и не достигнув сверхпроводящего состояния, однако в тройной системе CH₄-H₂S-H₂ эту проблему удалось решить. В результате ученым удалось получить устойчивое соединение с более высокой критической температурой, чем у бинарного гидрида серы.

Необходимый сверхпроводящий материал синтезировали в ходе фотохимической реакции из смеси водорода, сероводорода и метана. Еще при сравнительно низких давлениях за счет вандерваальсового взаимодействия молекулы метана и сероводорода в такой смеси выстраиваются в цепочки, которые при дальнейшем сжатии образуются структуру типа «хозяин-гость». При давлениях в несколько миллионов атмосфер блоки метана и сероводорода (поскольку имеют практически одинаковый размер) формируют единую матрицу, в которой занимают равнозначные положения, а молекулы водорода фактически находятся в порах этой матрицы.

Фазовый состав и структуру полученных соединений ученые исследовали с помощью рентгеновского анализа и рамановской спектроскопии, а для анализа критических параметров сверхпроводимости измерили, как у полученного вещества при различных давлениях меняются электрическое сопротивление и магнитная восприимчивость в зависимости от температуры. Оказалось, оптимальное соотношение метана, сероводорода и водорода в материале — строго стехиометрическое 1:1:1.

Самая высокая температура перехода — 287,7 кельвина (это примерно 15 градусов Цельсия) — оказалась характерна для фазы при давлении 2,67 миллиона атмосфер, однако сверхпроводящее состояние для такого соединения сохраняется в довольно широком диапазоне давлений: от 1,4 до 2,8 миллиона атмосфер. При увеличении внешнего магнитного поля критическая температура сверхпроводимости снижается и при поле 9 тесла опускается до -5 градусов Цельсия. При этом согласно теоретическим моделям сверхпроводимость этого материала должна сохраняться вплоть до 62 тесла. 

По словам авторов работы, за счет правильного подбора состава тройных гидридов возможно и дальнейшее повышение критической температуры. Однако главная задача на сегодняшний день — снижение давления, необходимого для синтеза и использования этих материалов.

Еще большая критическая температура сверхпроводимости теоретически предсказана для другого тройного гидрида. Согласно данным моделирования, в соединении Li₂MgH₁₆ сверхпроводимость должна сохраняться вплоть до 200 градусов Цельсия. Такое состояние ожидается при давлении около 2,5 миллиона атмосфер.

Александр Дубов