Ученые синтезировали супергидрид европия с 54 атомами

Dmitrii V. Semenok et al. / Journal of Physical and Chemistry Letters, 2020

Российские и китайские ученые синтезировали и рассчитали некоторые физические свойства гидридов европия, которые получаются при давлениях от 86 до 130 гигапаскалей. При 130 гигапаскалях наиболее термодинамически стабильным оказался гидрид из восьми атомов европия и 46 атомов водорода. В системе также образовывались фазы гидрида из одного атома европия и девяти атомов водорода. Расчетные данные подтверждают экспериментальные, а также указывают на наличие ферромагнетизма у Eu8H46 и одной из фаз EuH9. Исследование опубликовано в журнале Journal of Physical and Chemistry Letters.

В последние годы активно развивается область синтеза при высоких давлениях гидридов редкоземельных металлов с необычными химическими и физическими свойствами. За последние 15 лет ученым удалось синтезировать гидриды лантана, иттрия, тория, урана, церия, празеодима и неодима. У супергидридов первых трех также наблюдаются выдающиеся свойства сверхпроводимости.

Европий — необычный лантаноид: обычно он связывается с двумя атомами, и у него большой атомный радиус, около 200 пикометров, что примерно на десять процентов больше радиусов иттрия, самария и гадолиния. Под давлением металл меняет фазы, а при 80 гигапаскалях и температуре около двух кельвинов он переходит в трехвалентное состояние и значение его магнитного момента становится нулевым. При реакции с водородом европий образует дигидрид, а при увеличении давления до 10 гигапаскалей в избытке водорода можно получить тривалентный тетрагональный гидрид EuH3-x.

Дмитрий Семенок (Dmitrii Semenok) из Сколтеха вместе с коллегами продолжил исследование соединений европия с водородом и изучили поведение гидридов при увеличении давления от 86 до 130 гигапаскалей. Авторы поместили в ячейки с алмазными наковальнями, которые обычно применяют для экспериментов с веществами под высокими давлениями, европий и сублимированный борат аммония, осуществлявший роль среды и источника водорода, и создавали высокое давление в системе. Кристаллическую структуру гидридов, которая менялась по мере увеличения давления и температуры, исследователи определяли методом рентгеновской дифракции. Для уточнения состава получаемых фаз и расчета их физических свойств при давлениях 50, 100, 130 и 150 гигапаскалей ученые использовали программу USPEX, не раз показавшую свою эффективность и точность в подобных расчетах.

Наиболее стабильной фазой в ячейке объемом 25,21 кубических ангстрема на атом европия неожиданно оказался клатрат из 54 атомов с кубической сингонией, который содержал восемь атомов европия и 46 атомов водорода. 16 водородов в элементарной ячейке образовывали пары, и авторы описывают их как растянутые двухатомные молекулы водорода, а остальные 30 — не связаны. Расчеты методом Монте-Карло предсказали, что это соединение — ферромагнетик с температурой Кюри 36 кельвинов. Ферромагнитные свойства также наблюдались и у образующегося в системе EuH9 с гексагональной сингонией, и у этого же соединения с кубической структурой кристаллической решетки наблюдался антиферромагнитный порядк магнитных моментов. По расчетам, температуры Кюри этих структур могут быть от 24 до 336 кельвинов.

По словам авторов, их работа доказывает значимость влияния атомного радиуса металла на нарушение симметрии кристаллических структур супергидридов и их термодинамическую стабильность. В ряду супергидридов La−Ce−Pr−Nd−Eu увеличивается атомный радиус, а роль магнетизма возрастает, что приводит к снижению сверхпроводимости. Большинство супергидридов этих металлов антиферромагнетики, а низшие — ферромагнетики. Проведенное исследование гидридов европия, вместе с данными о гидридах иттрия Y4H36 и бария BaH12 указывает на важность роли нарушений идеальных кубических и гексагональных решеток в стабильности этих соединений.

В прошлом году эта же группа ученых синтезировала гидрид тория ThH10 и экспериментально подтвердила его сверхпроводимость при температурах до 130 кельвинов. Рекорд температуры принадлежит гидриду лантана: он может быть сверхпроводником до 250 кельвинов (минус 23 градусов Цельсия).

Алина Кротова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.