Новый материал облегчит поиск «комнатных» сверхпроводников

Учёные из Цзилиньского университета, Центра передовых исследований в области науки и технологий высокого давления (Китай) и Сколковского института науки и технологий синтезировали полигидрид лантана-церия — вещество, которое может упростить дальнейшие исследования сверхпроводников. С точки зрения необходимого охлаждения и сжатия новый полигидрид представляет собой компромисс между аналогичными соединениями двух этих металлов по отдельности, и на нём легче ставить эксперименты. Конечная цель — найти материал, который будет проводить электрический ток без сопротивления при комнатной температуре и атмосферном давлении. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Один из больших нерешённых вопросов современной физики — существует ли материал, который проводит электрический ток без сопротивления при обычном давлении и температуре? Такой сверхпроводник мог бы лечь в основу сверхбыстрых микрочипов, линий электропередачи без потерь энергии и мощных электромагнитов для поездов на магнитном подвесе, а может, и реакторов управляемого термоядерного синтеза.

В поиске «комнатного» сверхпроводника учёные исследуют несколько классов материалов, постепенно добиваясь, чтобы они были устойчивы при более низких давлениях и работали при более высоких температурах. Одна из таких групп материалов — полигидриды, вещества с очень высоким содержанием водорода. К ней относится текущий рекордсмен по высокотемпературной сверхпроводимости — полигидрид лантана LaH10 с критической температурой −23 °C. Но есть подвох: он нестабилен при давлении меньше 1,5 млн атмосфер. И наоборот: лучший результат среди веществ класса купратов принадлежит сверхпроводнику, который вовсе не требует сжатия. Зато он требует охлаждения до −140 °C.

Учёным из Сколтеха и их китайским коллегам удалось ослабить требования к сжатию высокотемпературных полигидридных сверхпроводников. В частности, коллектив исследовал поведение системы «лантан — водород» при добавлении некоторого количества церия (до 30%). Для этого сплав лантана и церия помещали в ячейку с алмазными наковальнями и нагревали в присутствии аминоборана: алмазы обеспечивали необходимое давление, а аминоборан разлагался с выделением большого количества водорода, который и реагировал со сплавом. Результат — новый сверхпроводящий полигидрид.

Лантан и церий — родственные элементы, атомы которых образуют похожие соединения и зачастую могут подменять друг друга. Но если говорить именно о сверхпроводниках, то таковыми являются LaH10 и CeH10, а также CeH9, а вот фаза LaH9 почти не наблюдается в экспериментах. Авторы новой статьи в Nature Communications решили проверить гипотезу: неустойчивую фазу, в частности LaH9, можно стабилизировать правильно подобранной примесью (в данном случае — церием), при условии что будет иметь место перестройка структуры исходного материала. Ровно так и получилось.

Один из авторов исследования, профессор Сколтеха Артём Оганов, объясняет: «Под очень высоким давлением водород заполняет пустоты в кристаллической решётке чистого лантана с образованием супергидрида LaH10. Но если заменить примерно четверть атомов лантана на церий, то структура меняется и принимает вид, знакомый нам по гексагональному кристаллу CeH9. Таким образом, введение третьего элемента вызвало перестройку по сравнению с чистым полигидридом лантана, и это действительно стабилизировало систему: если LaH10 устойчив при 1,5 млн атмосфер, то нашему полигидриду достаточно давления 1 млн атмосфер, примерно как полигидридам церия, только они являются сверхпроводниками лишь при −140 °C, а нашему веществу хватает охлаждения до −97 °C. То есть это неплохой компромисс, а главное — подтверждение того, что логика наших рассуждений верна и мы движемся в правильном направлении».

Учёный придаёт большое значение проверке и уточнению правил для направленного и систематического поиска новых сверхпроводников, поскольку работает в области, в которой не так давно многие сомневались, что так называемая конвенциональная сверхпроводимость, в том числе в полигидридах, вообще может существовать при температурах выше порядка −230 °C. Однако уже взята планка на 200 градусов выше. Сами по себе полигидриды, по мнению Оганова, едва ли выйдут за пределы физики высоких давлений, а именно устойчивость при атмосферном давлении является необходимым условием для масштабных применений в поездах, линиях электропередачи и т. п. Но их изучение позволяет лучше понять принципы, следование которым приведёт нас к «комнатной» сверхпроводимости на базе других веществ.

«Полигидриды — настоящее эльдорадо для фундаментальных исследований сверхпроводников под давлением, — добавляет Оганов. — И в своей работе мы, с одной стороны, проверяем и совершенствуем приёмы и инструменты, необходимые для поиска сверхпроводников в широком смысле. С другой стороны, мы нашли сравнительно неприхотливый материал для дальнейших исследований».

Соавтор научной статьи, выпускник аспирантуры Сколтеха Дмитрий Семенок, добавляет: «Наша работа интересна, помимо прочего, следующими экспериментальными наблюдениями. Некоторые образцы гидридов лантана-церия демонстрируют отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления в нормальном состоянии. Кроме того, критическая температура в этих сверхпроводниках зависит от направления магнитного поля, а значит, вопреки тому, что задействованы разные механизмы сверхпроводимости, эти гидриды оказываются весьма близки к купратам, в которых появление участка с отрицательным температурным коэффициентом электросопротивления является обычным явлением».

Наконец, на вопрос о других перспективных для исследования полигидридах учёные отвечают, что на данный момент наибольший интерес представляют полигидриды кальция, иттрия, лантана и магния.