Комнатную сверхпроводимость получили при давлении десять килобар

Американские физики сообщили о достижении комнатной сверхпроводимости при умеренно экстремальных давлениях. Изучая гидрид лютеция, легированный азотом, ученые обнаружили, что температура перехода в сверхпроводящее состояние этого материала может достичь 21 градуса Цельсия при десяти килобар давления. Исследование опубликовано в Nature.

Обновлено: в ноябре 2023 года статью отозвали из Nature.

О возможном использовании водорода для создания высокотемпературной (в пределе — комнатной) сверхпроводимости рассуждал еще Ашкрофт в 1968 году. Согласно его оценкам, протоны в металлическом водороде могли бы усилить спаривание электронов в куперовские пары (подробнее о куперовских парах и других механизмах сверхпроводимости читайте в материале «Ниже критической температуры»). Металлический водород (а также дейтерий) удалось получить сравнительно недавно: для этого потребовалось гигантское давление порядка половины терапаскаля, а также температура в несколько кельвин. Сверхпроводимости при этом обнаружено не было.

Вместо чистого водорода физики пытаются синтезировать гидридные материалы с избыточным содержанием водорода. Гидридные сверхпроводники начали появляться в середине 2010-х годов, но они также требовали экстремально высоких давлений, превышающих миллионы атмосфер. В 2019 году физики сообщили о достижении сверхпроводимости в гидриде лантана LaH₁₀ при температуре −23 градуса Цельсия и давлении 1,7 миллиона атмосфер. А уже год спустя группа американских физиков под руководством Ранги Диаса (Ranga Dias) из Рочестерского университета рапортовала о первой в истории комнатной сверхпроводимости (15 градусов) при экстремальном давлении в материале на основе сероводорода и метана.

Впрочем, 26 сентября 2022 года этот рекорд был отозван из журнала. Критикам не понравилась методика измерения магнитной восприимчивости, а также температурной зависимости сопротивления. Подробнее про эту историю мы рассказывали в материале «Под давлением».

Пока шла дискуссия о правомерности выводов из проделанной Диасом с коллегами работы, физики из его группы продолжили поиск сверхпроводимости в тройных гидридах. Ожидается, что дополнительный элемент мог бы снизить условия возникновения высокотемпературной сверхпроводимости до субмегабарного уровня благодаря стабилизации решеток с избытком водорода. И, кажется, в этот раз американским ученым улыбнулась удача: в новой статье они сообщают о сверхпроводимости при температуре 21 градус Цельсия и давлении всего десять килобар (1 бар равен 10⁵ паскаль).

В своем исследовании авторы работали с гидридом лютеция, легированным азотом. Лютеций интересен тем, что его 4f-оболочка полностью заполнена, что препятствует нарушению кристаллической симметрии, вызванной «смягчением» фононов. Это, в свою очередь, усиливает электрон-фононную связь и повышает температурный порог сверхпроводимости. Азот же стабилизирует решетку, эффективно снижая давление, необходимое для поддержания сверхпроводящей фазы.

Чтобы получить такой образец, физики создавали газовую смесь, на 99 процентов состоящую из водорода и на один — из азота. Они помещали в нее чистый лютеций и оставляли их реагировать на два-три дня при температуре 200 градусов Цельсия. Образующиеся в результате реакции образцы ученые помещали под давление алмазной наковальни. Для каждого набора параметров физики проводили множество измерений, включая измерения электрического сопротивления, статической и динамической магнитной восприимчивости, кривой намагничивания, теплоемкости и многого другого.

Основные результаты, полученные группой, заключаются в построении зависимости критической температуры от давления в наковальне. Авторы выяснили, что сверхпроводящая фаза возникает, когда давление начинает превышать три килобар. По мере роста давления критическая температура растет, достигая максимума в 21 градус при давлении десять килобар, после чего снижается. Примечательно, что цвет образца меняется с ярко-синего до красного, становясь розовым в режиме комнатного сверхпроводника.

Авторы использовали несколько методов, преимущественно рентгеновскую дифракцию, чтобы понять, как организован кристалл. Они выяснили, что лютеций в некоторых фазах упакован в гранецентрированную кубическую структуру, однако расположение атомов водорода и азота узнать не удалось. По мнению физиков, для этого потребуется использовать нейтронную дифрактометрию.

Комнатная сверхпроводимость существенно упросит и удешевит ряд технологий, например, магнитно-резонансную томографию или поезда на магнитной подушке. Работа с гидридом лютеция, легированным азотом, которую провела группа Диаса, помогает сузить направление поисков более доступных условий для нее. Ученые предполагают, что машинное обучение сможет справиться с этой задачей.

Сверхпроводимость активно ищут и в других, непохожих на гидриды материалах. Речь идет о скрученных на небольшие углы материалах, главным образом, графене. Подробнее об этом читайте в материале «Тонко закручено».