Закалка давлением повысила критическую температуру сверхпроводника

Американские и китайские физики обнаружили, что закалка высоким давлением позволяет значительно повысить температуру перехода в сверхпроводящее состояние при атмосферном давлении. У чистого селенида железа температуру сверхпровоимости удалось таким способом поднять в четыре раза, а у легированного медью селенида сверхпроводимость при атмосферном давлении появилась, даже несмотря на ее отсутствие до закалки. Сверпроводящие свойства после закалки высоким давлением держатся, как минимум, неделю, пишут ученые в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Сверхпроводимость — способность некоторых веществ иметь нулевое сопротивление ниже критической температуры. Как правило, температура перехода в сверхпроводящее состояние экстремально низкая, поэтому поиск сверхпроводимости при нормальных условиях — одна из важнейших задач современной физики. Сейчас ученым удалось приблизиться к комнатной температуре, однако на смену проблеме низких температур пришла проблема очень высоких давлений. Так, сероводород становится сверхпроводником при температуре 203 кельвина, но для этого нужно давление в 150 гигапаскалей, а для смеси метана и сероводорода при температуре 288 кельвинов (это 15 градусов Цельсия) требуются уже 273 гигапаскаля (или 2,7 миллиона атмосфер). Поэтому теперь усилия физиков направлены в том числе и на поиск способов снижения давления без потери высокотемпературных свойств.

Сегодня огромная часть используемых в промышленности материалов находится в метастабильном состоянии при нормальных условиях. Метастабильные вещества типа искусственного алмаза получают быстрой закалкой экстремальными давлением и, что немаловажно, температурой. При этом вещество преодолевает энергетический барьер и попадает квазиустойчивое состояние, в котором может находиться сколь угодно долго, пока его оттуда не выбьет достаточно большая энергия. При сильном сжатии некоторых сверхпроводников (а также некоторых несверхпроводящих соединений) происходит изменение кристаллической решетки, которое, в свою очередь, вызывает повышение (или появление) температуры перехода в сверхпроводящее состояние, однако после снятия давления эффект исчезает.

Физики под руководством Лянцзы Дэна (Liangzi Deng) из Хьстонского университета предположили, что с помощью закалки давлением можно добиться фиксации сверхпроводящих свойств, наблюдающихся под большим давлением, и нашли этому экспериментальное подтверждение на примере чистого и примесного селенидов железа.

Для проверки своей гипотезы на деле ученые выбрали селенид железа FeSe: во-первых, он достаточно хорошо исследован и обладает простой структурой, во-вторых, его критическая температура сильно меняется в зависимости от давления (9,8 кельвина при атмосферном давлении и 37 кельвинов при 9 гигапаскалях), а в-третьих, для зависимости сопротивления селенида железа от давления при комнатной температуре характерен выраженный гистерезис, что, по мнению авторов статьи, дает надежду на формирование метастабильного состояния. Авторы разработали и применили к образцу селенида железа технологию закалки давлением: сверхпроводник заключали в ячейку с алмазными наковальнями, сжимали до давлений порядка нескольких гигапаскалей, охлаждали до температуры 4,2 кельвина либо 77 кельвинов и резко опускали давление до атмосферного при постоянной температуре. Затем полученные фазы сверхпроводника изучали на проводимость.

В первой серии экспериментов сверхпроводник сначала закаляли при давлении 4,15 гигапаскаля и температуре 4,2 кельвина, затем нагревали вплоть до 300 кельвинов и снова охлаждали до температуры закалки. При нагревании сразу после закалки критическая температура практически совпадала с той, что была под давлением, а после нагревания до высоких температур понизилась, но оставалась все еще выше исходной. Последний эффект также наблюдался при закалке давлениями в 11,27 гигапаскаля, когда селенид железа теряет свои сверхпроводящие свойства. Те же измерения были проведены при существенно более высокой температуре закалки в 77 кельвинов, что привело к более низким, чем в предыдущем эксперименте, но все еще повышенным значениям температуры перехода, а также к полной утрате сверхпроводимости после закалки при 11,12 гигапаскаля. Из полученных результатов видно, что закаленная фаза зависит от температуры и давления закалки, как и должно быть у метастабильного состояния.

Для доказательства независимости свойств закаленной фазы от сверхпроводящих качеств вещества при атмосферном давлении физики провели вторую, аналогичную первой, серию измерений уже для легированного медью селенида железа, который является сверхпроводником начиная с давлений в 3,11 гигапаскаля. Выяснилось, что сразу после закалки давлениями порядка 6 гигапаскалей образец оставался сверхпроводником, но чем сильнее его нагревали, тем скорее он терял свою сверхспособность. Также исследователи обнаружили, что эффект от закалки сохранялся неизменным на протяжении семи дней.

Чтобы лучше понять влияние закалки давлением на чистый селенид железа, авторы провели моделирование процессов перехода и оценили энергетические барьеры между различными фазами вещества. Вычисления подтвердили результаты экспериментов. Например то, что энергетический барьер между орторомбической фазой решетки (исходная фаза) и тетрагональной (метастабильное сверхпроводящее состояние) не превышает 6 миллиэлектронвольт на атом, позволяет селениду железа лучше сохранить сверхпроводящие свойства при смене фаз на низких температурах. А двукратное уменьшение барьера при сжатии до 6 гигапаскалей обусловливает снижение температуры перехода между этими двумя фазами при наложении избыточного давления. Объяснение получило и отсутствие сверхпроводимости после закалки выше 11,12 гигапаскаля при температуре 77 кельвинов: авторы предполагают, что произошел переход к гексагональной фазе — при комнатной температуре и атмосферном давлении этот энергетический барьер уже не преодолеть.

Авторы считают, что разработанный метод закалки давлением может быть адаптирован к комнатнотемпературным гидридным сверхпроводникам с минимальными усилиями, что облегчит промышленное использование сверхпроводимости.

Мы уже писали про высокотемпературные свойства гидрида лантана, теоретически доказанную способность двойного гидрида лития и магния оставаться сверхпроводником при 200 градусах Цельсия, а также про открытие радиоактивного высокотемпературного гидридного сверхпроводника.

Елизавета Чистякова