Как изменились поиски комнатных сверхпроводников в последние годы

N+1Наука

Под давлением. Чего не выдержало открытие комнатной сверхпроводимости

Александр Дубов

В октябре 2020 года американские физики под руководством Ранги Диаса из Рочестерского университета сообщили, что они сдавили смесь сероводорода, метана и водорода до 2,67 миллиона атмосфер и получили кристалл, который при температуре 15 градусов Цельсия проводит электрический ток без сопротивления. А значит, до заветной «комнатной сверхпроводимости» осталось буквально полшага. Год, два, максимум десять. На этой неделе, однако, шагать пришлось обратно: 26 сентября журнал Nature отозвал статью Диаса с комментарием, что способ обработки данных в оригинальной работе не соответствует принятым стандартам. Рассказываем, как изменились поиски комнатных сверхпроводников в последние годы — и почему этим очень недоволен человек по фамилии Хирш.

1.

Измеренное значение критической температуры материала Диаса было на сорок градусов выше подтвержденного на тот момент рекорда, который принадлежал гидриду лантана LaH10, — он переходит в сверхпроводящее состояние при −23 градусах Цельсия. Следующим в списке идет сероводород H3S с избыточным содержанием водорода, он становится сверхпроводящим при −70 градусах.

Все эти материалы, включая кристалл Диаса, принадлежат к классу гидридных сверхпроводников. Их впервые получили в середине 2010-х, все они проводят ток без сопротивления при экстремально высоких давлениях — больше миллиона атмосфер. При этом их сверхпроводимость не похожа ни на классическую низкотемпературную, ни на высокотемпературную сверхпроводимость в материалах на основе селенидов и арсенидов железа или купратов.

В классическом сверхпроводнике сверхпроводящая фаза возникает за счет образования куперовских пар и описывается теорией Бардина — Купера — Шриффера (БКШ). Согласно ней куперовские пары в материале возникают за счет взаимодействия между фононами и электронами. При низких температурах тепловые колебания в кристаллической решетке затухают, но электроны провоцируют в кристалле возбуждение дополнительных колебаний, взаимодействуя с которыми сами объединяются в пары с суммарным целочисленными спином. В отличие от отдельного электрона, куперовская пара — бозон, поэтому частицы переходят в состояние бозе-конденсата и способны двигаться по кристаллу согласованно и без потери энергии (подробнее о механизмах сверхпроводимости — в материале «Ниже критической температуры»).

С тем, как и почему вообще работает вторая сверхпроводимость, высокотемпературная, теоретики пока до конца не разобрались. У ученых есть объяснение каждому конкретному случаю, но в единую теорию они пока не складываются.

Один из предложенных механизмов описывается теорией Мигдала — Элиашберга, которая расширяет классическую теорию БКШ. Она предсказывает, что за счет фонон-фононного обмена при сильном электрон-фононном взаимодействии переход в сверхпроводящее состояние происходит при температурах значительно выше, чем в других материалах. Даже самый «холодный» из гидридов сероводород становится сверхпроводящим при температуре на десятки градусов Цельсия выше, чем самый «горячий» из купратов, и больше чем на сотню градусов — чем лучший из ферропниктидов.

Но для того, чтобы сделать гидридный материал сверхпроводником, нужно экстремально высокое давление. Получение в 2015 году сероводорода, который теряет сопротивление при −70 градусах Цельсия и давлении в 1,5 миллиона атмосфер, стало первым экспериментальным подтверждением этой теории. Вслед за ним был синтезирован сверхпроводящий гидрид лантана. Во всех этих кристаллических структурах есть матрица из гидридов, внутри которой перемещаются избыточные молекулы водорода.

Кристалл Диаса относится к тому же классу: ученые добавили к сероводороду метан. Синтезированную сверхпроводящую фазу ученые назвали «углеродистым сероводородом» (carbonaceous sulfur hydride). При давлении более 1,4 миллиона атмосфер метан CH4 и сероводород H2S образуют кристаллическую матрицу, а водород — фактически двигается в порах этой матрицы.

Получить сверхпроводник, который сохранял бы свои свойства при комнатной температуре, физики пытаются уже больше века. Это позволит использовать, например, сверхпроводящие магниты или линии электропередач без обязательного использования жидкого азота — и тем более жидкого гелия — для охлаждения. Новый класс сверхпроводников работает уже не в космически холодных условиях, но проблему низких температур здесь сменяет проблема экстремальных давлений.

2.

Диас с коллегами знали, что метан, как и сероводород, образует под высоким давлением устойчивые соединения с водородом, в которых углеводород выступает в роли матрицы, а молекулы водорода — включений внутри нее. То есть он очень похож на те гидриды, у которых теория Мигдала — Элиашберга предсказывает сверхпроводимость. А поскольку сам метан необходимых для включения сверхпроводимости давлений не выдерживает, то матрицу стабилизировали молекулами сероводорода, очень близкими к нему по размеру. Затем, чтобы проверить, появляются ли у полученного ими кристалла из сероводорода и метана сверхпроводящие свойства, ученые измерили, как его сопротивление и магнитная восприимчивость — отношение намагниченности образца к внешнему полю, в которое его поместили, — зависят от температуры.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Вынашивающих потомство в горловом мешке лягушек эвакуировали с чилийского острова из-за смертельного грибка Вынашивающих потомство в горловом мешке лягушек эвакуировали с чилийского острова из-за смертельного грибка

Как редких южноамериканских лягушек спасли в Лондонском зоопарке

N+1
Екатерина Климова: «Надо либо двигаться дальше, либо отходить в сторону» Екатерина Климова: «Надо либо двигаться дальше, либо отходить в сторону»

По себе знаю, что либо артиста рвут на части, либо он никому не интересен

Караван историй
Язык и окружающая среда: почему у одних народов больше слов для обозначения любви, а у других – для снега Язык и окружающая среда: почему у одних народов больше слов для обозначения любви, а у других – для снега

Как окружающая среда влияет на словарный запас?

ТехИнсайдер
Побочные эффекты исчезли: ученые заявили о создании лекарства от смертельной болезни Побочные эффекты исчезли: ученые заявили о создании лекарства от смертельной болезни

Создана таблетка от серьезной болезни, которая на данный момент не лечится

Вокруг света
Святая вода из Эфиопии вызвала семь случаев устойчивой холеры в Европе Святая вода из Эфиопии вызвала семь случаев устойчивой холеры в Европе

Вспышка холеры в Европе: во всем виновата святая вода из Эфиопии

N+1
Самки плодовых мушек яростно сражаются за самцов. Но только девственницы Самки плодовых мушек яростно сражаются за самцов. Но только девственницы

Самки дрозофил ведут себя крайне агрессивно в период спаривания

ТехИнсайдер
Рисунки на живом холсте Рисунки на живом холсте

Как Старый Свет знакомился с «диким искусством» татуировки

Y Magazine
Рэйография, редимейд, ракурс: как Ман Рэй изменил искусство Рэйография, редимейд, ракурс: как Ман Рэй изменил искусство

На примере пяти работ показываем, как Ман Рэй изменил фотографию и искусство

Правила жизни
Крупнейшее восстание рабочих в США: вот какой была битва у горы Блэр Крупнейшее восстание рабочих в США: вот какой была битва у горы Блэр

Американские рабочие раньше устраивали целые сражения и где-то даже побеждали

ТехИнсайдер
«Сифилизатор» из СССР: история тех самых советских автоматов с газировкой и граненым стаканом «Сифилизатор» из СССР: история тех самых советских автоматов с газировкой и граненым стаканом

Давайте поднимем стакан «Дюшеса» в память о советских автоматах с газировкой

ТехИнсайдер
Уйди, прошу, бессонница! И спать пора, и никак не уснуть... Уйди, прошу, бессонница! И спать пора, и никак не уснуть...

Бессонница — серьезная проблема, мешающая нормально жить. Как с ней справиться?

Лиза
Человек в космосе подвергается высокому риску мутаций, связанных с раком Человек в космосе подвергается высокому риску мутаций, связанных с раком

Мутации могут увеличить риск развития рака и сердечных заболеваний у астронавта

ТехИнсайдер
Оральный секс: удовольствие или отвращение? Оральный секс: удовольствие или отвращение?

Почему многие считают отвратительным куннилингус и минет

Psychologies
«Приходится доказывать, что мы не слабее и не хуже»: истории женщин-хирургов «Приходится доказывать, что мы не слабее и не хуже»: истории женщин-хирургов

Женщины, которые выбрали хирургию вопреки гендерным стереотипам

Forbes
Флавоноиды Флавоноиды

В растительной пище есть особые вещества – флавоноиды

Здоровье
Вот когда беспилотник не может обойтись без посторонней помощи: вы точно об этом не знали Вот когда беспилотник не может обойтись без посторонней помощи: вы точно об этом не знали

Полностью автономные автомобили создать невозможно

ТехИнсайдер
10 культовых вещей из кино. Часть вторая, женская 10 культовых вещей из кино. Часть вторая, женская

Вспоминаем самые известные предметы одежды из истории мирового кинематографа

Правила жизни
Американцы воспроизвели микробиом кишечника человека Американцы воспроизвели микробиом кишечника человека

Ученые собрали вместе 119 видов микроорганизмов, обитающих в кишечнике человека

N+1
От Дмитрия Шостаковича до Софьи Толстой: семь лучших биографий известных людей От Дмитрия Шостаковича до Софьи Толстой: семь лучших биографий известных людей

Биографиях знаменитостей, которые больше походят на захватывающий роман

Forbes
Куда уходят деньги? Куда уходят деньги?

Как найти дыру в семейном бюджете и залатать ее

Лиза
Не просто шалость Не просто шалость

По статистике, каждый 4-й ребенок школьного возраста страдает от нервного тика

Лиза
Зачем жирафы пьют мочу, а курицы меняют пол: 5 странных повадок животных, о которых вы раньше не знали Зачем жирафы пьют мочу, а курицы меняют пол: 5 странных повадок животных, о которых вы раньше не знали

Крокодилы заглатывают ведро камней, жирафы пьют мочу. Зачем они это делают?

ТехИнсайдер
Могут себе позволить: зачем у саламандр до рождения исчезают легкие? Могут себе позволить: зачем у саламандр до рождения исчезают легкие?

Юркие ящерицы уже 25 миллионов лет прекрасно обходятся без органа дыхания

Вокруг света
«Приходится выбирать слова». Руководители студий подкастов — об индустрии «Приходится выбирать слова». Руководители студий подкастов — об индустрии

К каких отношениях с реальностью находится российская индустрия подкастинга

РБК
Почему электромобили на самом деле очень опасны? Все дело в шуме Почему электромобили на самом деле очень опасны? Все дело в шуме

Как должны звучать электромобили?

ТехИнсайдер
Вы недооценивали тыквенные семечки! Это один из самых полезных продуктов и вот почему Вы недооценивали тыквенные семечки! Это один из самых полезных продуктов и вот почему

Самое время отнестись к тыквенным семечкам серьезно и добавить в ваш рацион!

ТехИнсайдер
Физики порисовали по сегнетоэлектрику на нанометровом масштабе Физики порисовали по сегнетоэлектрику на нанометровом масштабе

Новый метод лазерной печати сегнетоэлектрических доменов в ниобате лития

N+1
На информационной игле: зачем люди читают бульварную хронику и фейковые новости На информационной игле: зачем люди читают бульварную хронику и фейковые новости

Социологи выяснили, почему мы так сильно привязываемся к информации

Вокруг света
В начале было слово: как нейросети научились создавать искусство из букв и предложений В начале было слово: как нейросети научились создавать искусство из букв и предложений

Революция нейросетей произошла практически мгновенно, и на то есть причины

ТехИнсайдер
Китайские динозавры пришли в упадок за два миллиона лет до вымирания Китайские динозавры пришли в упадок за два миллиона лет до вымирания

Падение астероида всего лишь ускорило исчезновение динозавров

N+1
Открыть в приложении