На изображении представлена установка, предназначенная для изучения свойств сверхпроводящих материалов при высоких давлениях. В ходе проведенных исследований американскими физиками было установлено, что простой углеродсодержащий сероводород демонстрирует сверхпроводящие свойства при комнатной температуре. Данный эффект наблюдается в твердой фазе материала, образованного соединением сероводорода H3S и метана CH4, и сохраняется до температуры 15 градусов Цельсия, однако для его реализации необходимо создать давление более 1,4 миллиона атмосфер. При давлении 2,67 миллиона атмосфер наблюдается максимальная критическая температура сверхпроводящей фазы. Ранее сверхпроводимость, то есть способность материала проводить электрический ток без сопротивления, считалась свойством, присущим лишь материалам при чрезвычайно низких температурах.

Схема синтеза и анализа сверхпроводящего материала в ячейке с алмазной наковальней. Michael Osadciw

Первые сверхпроводники теряли свои свойства уже при температурах, превышающих абсолютный ноль на 30 градусов (не более -240 градусов Цельсия). В 1980-х годах были открыты так называемые “высокотемпературные сверхпроводники” – керамические материалы на основе смешанных оксидов меди. Они сохраняли сверхпроводимость при значительно более высоких температурах, однако все еще существенно ниже комнатной. В течение двух десятилетий рекордсменом среди высокотемпературных сверхпроводников являлся купрат состава HgBa2Ca2Cu3O8+x, демонстрирующий переход в сверхпроводящее состояние при температуре -109 градусов Цельсия.

Принципиально новый тип высокотемпературных сверхпроводников был открыт в середине 2010-х годов: оказалось, что при экстремально высоких давлениях — более 1 миллиона атмосфер — гидриды многих элементов остаются в сверхпроводящем состоянии до очень высоких температур. Так, несколько лет материалом с самой высокой критической температурой был сероводород состава H₃S, до последнего момента подтвержденный рекорд перехода — всего −23 градусов Цельсия — принадлежал гидриду лантана LaH₁₀. Следы сверхпроводимости находили и при −13 градусах.

Американские физики под руководством Ранги Диаса (Ranga P. Dias) из Рочестерского университета впервые синтезировали высокотемпературный сверхпроводник, который сохраняет свои свойства вплоть до комнатной температуры. Полученный материал представляет собой кристалл на основе сероводорода и метана с повышенным содержанием водорода. Максимальную критическую температуру для него авторы работы зарегистрировали при давлении 2,67 миллиона атмосфер — она составила 287,7 кельвина (это примерно 15 градусов Цельсия). Для получения и анализа сверхпроводящего углеродсодержащего сероводорода ученые использовали ячейку с алмазной наковальней — камеру с образцом, которая зажимается между гранями двух алмазов и позволяет наблюдать за твердыми материалами при давлениях до нескольких миллионов атмосфер.

Известно, что и метан, и сероводород могут образовывать при высоких давлениях устойчивые соединения с водородом, в которых гидрид выступает в роли матрицы, а молекулы водорода — включений внутри нее. Согласно теории Мигдала-Элиашберга, подобные материалы считаются перспективными кандидатами в сверхпроводники при высоких давлениях за счет сильного электрон-фононного связывания, которое приводит к образованию куперовских пар. При сжатии сам метан разрушается при давлении выше 5 миллионов атмосфер, так и не достигнув сверхпроводящего состояния, однако в тройной системе CH₄-H₂S-H₂ эту проблему удалось решить. В результате ученым удалось получить устойчивое соединение с более высокой критической температурой, чем у бинарного гидрида серы.

Кристаллическая структура сверхпроводящей фазы включения H₂S-H₂. В тройной системе часть молекул сероводорода в этой структуре заменяется молекулами метана. Elliot Snider et al. / Nature

Необходимый сверхпроводящий материал синтезировали в ходе фотохимической реакции из смеси водорода, сероводорода и метана. Еще при сравнительно низких давлениях за счет вандерваальсового взаимодействия молекулы метана и сероводорода в такой смеси выстраиваются в цепочки, которые при дальнейшем сжатии образуются структуру типа «хозяин-гость». При давлениях в несколько миллионов атмосфер блоки метана и сероводорода (поскольку имеют практически одинаковый размер) формируют единую матрицу, в которой занимают равнозначные положения, а молекулы водорода фактически находятся в порах этой матрицы.

Слева: зависимость сопротивления от температуры для образцов S-C-H при различных давлениях; посередине: микрофотографии образцов сверхпроводника; справа: зависимость критической температуры сверхпроводимости от давления. Elliot Snider et al. / Nature

Фазовый состав и структуру полученных соединений ученые исследовали с помощью рентгеновского анализа и рамановской спектроскопии, а для анализа критических параметров сверхпроводимости измерили, как у полученного вещества при различных давлениях меняются электрическое сопротивление и магнитная восприимчивость в зависимости от температуры. Оказалось, оптимальное соотношение метана, сероводорода и водорода в материале — строго стехиометрическое 1:1:1.

Самая высокая температура перехода — 287,7 кельвина (это примерно 15 градусов Цельсия) — оказалась характерна для фазы при давлении 2,67 миллиона атмосфер, однако сверхпроводящее состояние для такого соединения сохраняется в довольно широком диапазоне давлений: от 1,4 до 2,8 миллиона атмосфер. При увеличении внешнего магнитного поля критическая температура сверхпроводимости снижается и при поле 9 тесла опускается до -5 градусов Цельсия. При этом согласно теоретическим моделям сверхпроводимость этого материала должна сохраняться вплоть до 62 тесла.

По словам авторов работы, за счет правильного подбора состава тройных гидридов возможно и дальнейшее повышение критической температуры. Однако главная задача на сегодняшний день — снижение давления, необходимого для синтеза и использования этих материалов.

Еще большая критическая температура сверхпроводимости теоретически предсказана для другого тройного гидрида. Согласно данным моделирования, в соединении Li₂MgH₁₆ сверхпроводимость должна сохраняться вплоть до 200 градусов Цельсия. Такое состояние ожидается при давлении около 2,5 миллиона атмосфер.

Автор: Александр Дубов
Источник: https://nplus1.ru/