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 / 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.
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.
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).
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.
Комментарии
Всегда думал, что у электронов в куперовских парах импульсы противоположно направлены, а на картинке импульсы коллинеарны.