Открыто новое правило для предсказания сверхпроводящих металлических гидридов — Naked Science
10 минут
Сколтех

Открыто новое правило для предсказания сверхпроводящих металлических гидридов

4.5

Исследователи Сколтеха и МФТИ совместно с коллегами открыли новое правило, облегчающее поиск высокотемпературных сверхпроводников, представляющих сегодня особую актуальность. Ученым удалось установить связь между положением элемента в периодической таблице и его способностью к образованию высокотемпературного сверхпроводящего гидрида.

Открыто новое правило для предсказания сверхпроводящих металлических гидридов / ©zen.yandex.ru

Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом, представлены в статье в журнале Current Opinion in Solid State & Materials Science. Сверхпроводящие материалы обладают нулевым сопротивлением и способны передавать электричество без потерь. Эти свойства представляют огромный интерес с точки зрения практического использования сверхпроводников в электронике и энергосетях. Сверхпроводящие магниты уже широко применяются и в аппаратах МРТ, работающих в обычных больницах, и в ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе.

На сегодняшний день существует два способа достижения сверхпроводимости, причем оба требуют обеспечения предельных условий: либо очень низких температур, либо очень высокого давления. В первом случае требуется охлаждение до 100 К (приблизительно -173 градуса по Цельсию) или еще ниже. Результаты исследований показывают, что у металлического водорода сверхпроводимость может проявляться и при температуре, близкой к комнатной, но для этого необходимо обеспечить давление на пределе сегодняшних технических возможностей – более 4 миллионов атмосфер.

Именно поэтому взгляды ученых сейчас устремлены в сторону гидридов – соединений водорода с другим химическим элементом: эти соединения могут переходить в сверхпроводящее состояние при относительно высоких температурах и относительно низких давлениях. Действующим рекордсменом по температуре перехода является декагидрид лантана, LaH10.

Кристаллическая структура гидрида лантана. Каждый атом лантана связан с десятью атомами водорода / ©РИА Новости

В прошлом году было показано, что это соединение становится сверхпроводящим при температуре -23 оС и давлении 1,7 миллиона атмосфер. Такой уровень давления вряд ли даст возможность практических применений, но тем не менее, результаты, полученные в ходе исследований гидридов-сверхпроводников, имеют важное значение для других классов сверхпроводников, работающих при нормальных давлении и температуре.

Аспирант Сколтеха Дмитрий Семенок, профессор Сколтеха и МФТИ Артем Оганов и их коллеги открыли новое правило, позволяющее предсказывать максимальную критическую температуру перехода в сверхпроводящее состояние (maxTс) для гидрида металла исходя только из электронной структуры атомов металла. Это открытие существенно облегчает задачу поиска новых сверхпроводящих гидридов.

«Поначалу связь между сверхпроводимостью и периодической таблицей казалась нам чем-то загадочным. Мы и сейчас не до конца понимаем ее природу, но полагаем, что она обусловлена тем, что электронная структура элементов на границе между элементами s и p или s и d (они располагаются между 2-й и 3-й группами таблицы) особенно чувствительна к искажениям кристаллической решетки, что способствует сильному электрон-фононному взаимодействию, которое и лежит в основе сверхпроводимости гидридов», – отмечает один из авторов исследования Артем Оганов.

Ученые не только выявили важную качественную закономерность, но и провели обучение нейронной сети для предсказания значения maxTC для соединений, по которым отсутствуют экспериментальные или теоретические данные. Для некоторых элементов в ранее опубликованных данных наблюдались аномалии. Исследователи решили проверить эти данные, используя для этой цели эволюционный алгоритм USPEX, разработанный профессором Огановым и его учениками и позволяющий предсказывать термодинамически стабильные гидриды этих элементов.

Максимальная предсказанная критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние для гидрида металла / ©Павел Одинев / Сколтех

«В отношении элементов, у которых, согласно опубликованным данным, наблюдались слишком низкие или слишком высокие (по условиям нового правила) значения maxTc, мы провели систематический поиск стабильных гидридов и в результате не только подтвердили справедливость нового правила, но и получили целый ряд новых гидридов таких элементов, как магний (Mg), стронций (Sr), барий (Ba), цезий (Cs) и рубидий (Rb).

В частности, было установлено, что у гексагидрида стронция SrH6 значение maxTс составляет 189 К (-84 оC) при давлении 100 ГПа, а у теоретического супергидрида бария BaH12 оно может достигать 214 K (-59 оC)», – рассказывает один из авторов работы, старший научный сотрудник Сколтеха и преподаватель МФТИ Александр Квашнин.

В 2019 году Артем Оганов и его коллеги из России, США и Китая синтезировали супергидрид церия CeH9, обладающий сверхпроводимостью при температуре 100-110 К и (относительно) низком давлении – 120 ГПа. Еще один сверхпроводник, открытый исследовательской группой в составе Дмитрия Семенка, Ивана Трояна, Александра Квашнина, Артема Оганова и их коллег – гидрид тория ThH10, имеющий высокую критическую температуру 161 К.

«Имея в арсенале новое правило и нейронную сеть, мы можем сосредоточить наши усилия на поиске более сложных и перспективных соединений, обладающих сверхпроводимостью при комнатной температуре. Это тройные супергидриды, состоящие из двух элементов и водорода. Нам уже удалось предсказать несколько гидридов, которые вполне могут конкурировать с LaH10 и даже превосходить его», – говорит первый автор работы Дмитрий Семенок.

В работе также участвовали сотрудники Всероссийского научно-исследовательского института автоматики имени Н. Л. Духова и Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ имени М. В. Ломоносова.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Вчера, 09:47
4 минуты
Сергей Васильев

Потеряв в схватке с крупным хищником почти всю заднюю часть тела и глаз, трилобиту удалось выжить и даже частично восстановиться.

Вчера, 14:11
5 минут
Илья Ведмеденко

По информации СМИ, модуль «Наука» столкнулся с техническими проблемами. Они могут существенно осложнить стыковку с Международной космической станцией.

Вчера, 10:50
5 минут
Сергей Васильев

Уникальный пример межвидовой конкуренции человекообразных, окончившейся гибелью более крупного животного, наблюдали в национальном парке на западе Африки.

Позавчера, 10:05
22 минуты
Александр Березин

Существующие континенты движутся к слиянию в один — это лишь вопрос времени, считают большинство исследователей. Группа ученых решила выяснить, что будет с обитаемостью Земли после того, как это слияние завершится. Как оказалось, температура на планете существенно вырастет при любом исходе. Но в случае формирования одного из двух возможных суперконтинентов на суше станет намного холоднее. Если возникнет второй суперконтинент, доля обитаемой твердой поверхности, напротив, возрастет. Почему так получается и что из этого следует?

Позавчера, 10:45
4 минуты
Сергей Васильев

До сих пор было неизвестно, могут ли плоды передавать сигналы материнскому растению, но опыты, поставленные на томатах, показали, что это действительно происходит.

18 июля
5 минут
Илья Ведмеденко

Представлены первые фотографии перспективного российского боевого самолета, премьера которого состоится на грядущем авиасалоне МАКС. Ранее мы уже могли видеть новую машину, однако ее скрывал защитный чехол.

13 июля
5 минут
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
7 минут
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

11 июля
28 минут
Александр Березин

Еще год назад почти все были уверены, что эпидемия быстро закончится. Ведь научные исследования говорили: иммунитет переболевших очень сильный, а повторные заболевания крайне редки. Российские власти все еще верят в это: глава Роспотребнадзора Анна Попова утверждает, будто повторно болеет только 1%. От этого в России до сих пор ждут достижения «группового иммунитета» осенью — и, разумеется, снятия ковидных ограничений. К сожалению, это пустые надежды. Данные из других стран вообще не показывают реальной возможности достичь группового иммунитета за счет переболевших. Разбираемся в деталях.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: