• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
5 августа
Иван Лавренов
1
399

Ученые втрое понизили давление высокотемпературного сверхпроводящего перехода легких гидридов

5.5

Супергидриды — соединения, в состав которых входит очень большое количество водорода — проявляют сверхпроводимость при очень высоком давлении и температурах, близких к комнатной. Подбор состава супергидрида серы и углерода позволил значительно снизить давление сверхпроводящего перехода.

Камера с алмазной наковальней, в которой физики исследовали образец кристалла
Камера с алмазной наковальней, в которой физики исследовали образец кристалла / Snider, Dias et al., Nature, 2020

Сверхпроводимость — явление, при котором электрическое сопротивление материала падает до нуля, а выделение тепла от протекания тока полностью пропадает. Если оно войдет в широкий обиход, мир испытает технологическую революцию. Никакого разогрева обмоток трансформаторов, никаких процентов электроэнергии, потерянных в проводах ЛЭП. В разы уменьшившиеся габариты зарядников и моторов, магнитная левитация в каждом доме и многое другое, чего мы пока не можем вообразить, — все это может стать реальностью.

К сожалению, обычно сверхпроводимость наблюдается только при очень низких температурах. Ее открыл голландский физик Камерлинг-Оннес в 1908 году, изменяя электрическое сопротивление ртути в жидком гелии при минус 270,15 градусах Цельсия, или на три градуса выше абсолютного нуля. Для широкого применения сверхпроводимости температуру перехода нужно поднять выше комнатной, то есть в сотню раз.

Механизм возникновения сверхпроводимости установили только в середине XX века, а некоторые ее виды остаются не до конца понятными до сих пор. Но вскоре после ртути ее обнаружили и в других веществах — при температурах в несколько раз выше, чем у нее. Неудивительно, что ученые искали рецепт высокотемпературной сверхпроводимости почти как алхимики в Средние века — рецепт философского камня: подчас — простым перебором.

Зависимость температуры сверхпроводящего перехода материалов от года обнаружения сверхпроводимости в них. По вертикали — температура в кельвинах (градусах от абсолютного ноля; 0оС = 273,15 кельвина). Справа по вертикали отмечены распространенные хладагенты (гелий, водород, азот и четырехфтористый углерод), а также комнатная температура. Символы обозначают тип сверхпроводимости: зеленый кружок — «классическая», синий ромб — купратная высокотемпературная. / © wikipedia.org

В 1980-х случился прорыв: была найдена высокотемпературная сверхпроводимость материалов из сложной оксидной керамики на основе купратов (окислов меди), сохраняющаяся при температуре жидкого азота (77 кельвинов, или минус 196 градусов Цельсия). Купраты оказались настолько хрупкими и сложными в приготовлении, что и сейчас сверхпроводящие изделия из них делают немногие. Традиционная сверхпроводящая техника, такая как магниты в аппаратах МРТ, до сих пор работает на более устойчивых материалах и жидком гелии.

Но открытие купратов подстегнуло исследователей, и при этом одно из магистральных направлений поиска все-таки было известно. Классическая теория сверхпроводимости гласит, что в сверхпроводниках электроны объединяются в пары за счет взаимодействия с фононами — квантами колебания кристаллической решетки. Чем легче атомы решетки — тем легче распространяющемуся в ней электрону «подвинуть» положительно заряженные атомы в ней и «поймать» таким образом другой электрон в пару.

Упрощенная схема образования пар электронов в сверхпроводнике. Один электрон, распространяясь по кристаллической решетке, притягивает ионы, создавая за собой область положительного заряда. Другой электрон притягивается этой областью / © https://courses.physics.illinois.edu/phys498art/sp2018/PHYS489ART_SC_KP.pdf

На этот процесс влияет еще множество других факторов, но по расчетам, у металлического водорода, самого легкого элемента, температура сверхпроводящего перехода могла оказаться заметно выше комнатной. Незадача в том, что водород становится металлом при давлении четырех миллионов атмосфер — больше, чем в центре Земли. Причем даже в таких условиях металлизация, судя по всему, проходит не до конца и пропадает при снижении давления.

Недавно ученые задумались о богатых водородом материалах, которые могли бы вести себя почти как металлический водород. Исследования дали плоды: оказалось, под давлением редкоземельный элемент лантан соединяется с гораздо большим количеством водорода, чем в обычных условиях, и образует соединение LaH10.

В 2019 году у него нашли сверхпроводимость при 250 кельвинах (минус 23 градуса) и двух миллионах атмосфер. Всего через год был достигнут и рубеж комнатной температуры: смешанный супергидрид серы и углерода с приблизительным составом CSH8 оказался комнатным сверхпроводником при давлении 2,7 миллиона атмосфер.

На практике сверхпроводники, стабильные только при сверхвысоких давлениях, неприменимы, и следующей задачей стало снижение давления перехода. Здесь у ученых впереди непаханое поле: судя по всему, супергидриды может образовывать значительная часть таблицы Менделеева, исследования начались недавно, а достижения в этой области случаются часто.

Сотрудники Университета Невады в Лас-Вегасе (США), получившие комнатный сверхпроводник CSH8, не остановились на достигнутом. В новом исследовании, возглавленном Александром Смитом, они решили разобраться, как соотношение углерода и серы влияет на сверхпроводящие свойства смешанных супергидридов в системе C – S – H. Варьируя содержание элементов, они нашли состав с повышенной долей углерода в составе, давление перехода для которого оказалось почти втрое ниже — один миллион атмосфер. Температура сверхпроводимости при этом составила около 191 кельвина (минус 82 градуса Цельсия).

Зависимость температуры сверхпроводящего перехода в кельвинах от давления в гигапаскалях (один гигапаскаль = 10 тысяч атмосфер) для первого комнатного сверхпроводника CSH8 (зеленые символы и линия) и для улучшенного состава (красные и синие символы). Небольшое количество новых данных обусловлено сложностями эксперимента: получением требуемого состава, синтезом супергидрида и измерениями / © Вспомогательные материалы к оригинальной статье.

Этот результат еще далек от «священного Грааля» охотников за сверхпроводимостью — материала, который не имеет электрического сопротивления при комнатных температуре и давлении. Но он демонстрирует, что еще есть куда стремиться.

Супергидриды в какой-то мере можно рассматривать как сплавы металлического водорода, чьи свойства могут сильно отличаться от него самого. В качестве возможных «присадок» пока исследована только малая доля таблицы Менделеева. Не исключено, что какой-нибудь из этих «сплавов» действительно окажется чем нужно или хотя бы не будет распадаться при давлении в сотню-другую тысяч атмосфер, достижимом внутри углеродных нанотрубок. Тогда, если куперовские пары электронов еще и смогут беспрепятственно туннелировать из одной трубки в другую через их стенки атомной толщины, из упакованного в трубки супергидридного сплава может получиться «свить» сверхпроводящий провод.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Позавчера, 10:57
Сергей Васильев

Напряженная мыслительная деятельность приводит к накоплению нейромедиаторов в синапсах префронтальной коры. Это усложняет их работу и может повреждать нейроны, заставляя мозг сигнализировать об опасности.

Позавчера, 16:56
Василий Парфенов

В конце июля многие СМИ опубликовали новости с заголовками вида «Земля стала вращаться быстрее — и ученые не знают почему». К концу первой недели августа тема добралась и до русскоязычного сегмента Сети. На поверку этот инфоповод пусть и без негативных последствий, но демонстрирует основные пороки современной (не только научно-популярной) журналистики. Рассказываем, как в действительности изменяется скорость вращения нашей планеты, насколько хорошо известны причины таких осцилляций, а также почему ученые никогда ничего не знают наверняка (и это нормально).

11 августа
Ольга Иванова

Человекообразные обезьяны из зоопарка Атланты изобрели собственную систему звуков — гибрид кашля и чихания, напоминающий звук «хм», — чтобы «общаться» с людьми.

10 августа
Мария Азарова

Команда австралийских исследователей нашла доказательство того, как формировались и развивались зарождающиеся континенты нашей планеты.

10 августа
Анна Новиковская

Быть «кошатником» — вовсе не грех, но, согласно данным нового исследования, такие люди не всегда знают, что лучше для самих кошек. Напротив, хозяева, которые имеют небольшой опыт общения с домашними животными, могут оказаться внимательнее к потребностям питомца и максимизировать его удовольствие от общения с человеком.

10 августа
Василий Парфенов

Изначально выглядевшая многообещающе ракета-носитель Antares в последние годы стала довольно проблемной. Для ее создания требовалась кооперация США, Украины и России, которая в свете сложившейся геополитической обстановки практически невозможна. Решением проблемы станет переход с российских двигателей на созданные в Америке. И ключевую роль в нем сыграет частично украинская компания Firefly Aerospace.

2 августа
Александр Березин

Если западным странам удастся «лишить Кремль нефтяных доходов», то мир ждет геополитическое землетрясение. Только не обязательно в ту сторону, о которой вы сейчас подумали. На фоне того, что последует за «лишением», шок 1973 года может показаться детской игрой. Naked Science попробует оценить размах «потолочного катаклизма» заранее.

31 июля
Александр Березин

Саудовский принц одобрил строительство гигантского «лежачего небоскреба», который должен стать крупнейшим зданием в истории. Причем еще и самым экологичным в мире. Пресса и соцсети полны возмущенных оценок: «это антиутопия!», «проект сырой!» и тому подобным. Однако чисто технически это не так: «Зеркальную линию» на пять миллионов жителей вполне можно построить. И такое здание в самом деле будет энергоэффективным (и формально безуглеродным). Но у проекта есть другие слабые места, лежащие скорее в сфере науки, нежели техники. Naked Science попробовал разобраться в деталях.

27 июля
Алиса Гаджиева

Новое исследование показало, что появившаяся у человека способность переваривать молочный сахар никак не сказалась на распространенности потребления продуктов молочного животноводства.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий

1 неделя назад
-
0
+
Всегда думал, что у электронов в куперовских парах импульсы противоположно направлены, а на картинке импульсы коллинеарны.
Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: