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

«Слон во Вселенной. 100 лет в поисках темной материи» «Слон во Вселенной. 100 лет в поисках темной материи»

Как дисковые галактики сохраняют устойчивость

N+1
Аппендицит у ребенка Аппендицит у ребенка

При подозрении на аппендицит у ребенка первым делом посмотри на часы

Лиза
Как эффект плацебо обманывает мозг, чтобы облегчить боль Как эффект плацебо обманывает мозг, чтобы облегчить боль

Как эффект плацебо снижает восприятие боли?

ТехИнсайдер
Испытание делом Испытание делом

Экзоскелеты появляются в новостях нечасто и кажутся вещью из будущего

ТехИнсайдер
Пластичность мозга Пластичность мозга

Потрясающие факты о том, как мысли способны менять структуру и функции мозга

kiozk originals
Зоя Бербер: «Приняла решение быть верной себе» Зоя Бербер: «Приняла решение быть верной себе»

У меня был период в жизни, когда я хотела уйти из профессии

Караван историй
Эвакуация автомобиля: как спасти машину и не платить штрафы Эвакуация автомобиля: как спасти машину и не платить штрафы

Эвакуацию автомобиля можно предотвратить

РБК
Один сериал, чтобы править всеми: каким получился «Властелин колец: Кольца власти» Один сериал, чтобы править всеми: каким получился «Властелин колец: Кольца власти»

Правда ли сериал «Властелин колец: Кольца власти» безнадежен?

Правила жизни
Темное начало Темное начало

Для Серебрякова важно рассказать историю тем языком, который для нее нужен

Правила жизни
Фрагменты вместо речи Фрагменты вместо речи

«С любовью и яростью»: Клер Дени тягается с Роланом Бартом

Weekend
Один на один Один на один

Кризисы случаются во всех сферах, и едва ли не в первую очередь – в отношениях

Лиза
Самые удивительные исторические байки про Хрущева Самые удивительные исторические байки про Хрущева

Вспоминаем самые интересные истории и слухи про генсека Никиту Хрущева

Maxim
Вечная молодость — это реально? Разбираемся с помощью научных исследований Вечная молодость — это реально? Разбираемся с помощью научных исследований

Есть ли у идеи если не вечной, то очень долгой молодости реальные основания?

Inc.
Без конца и края Без конца и края

Алиса Скальская устраивает ужины, ломащие представления о самом привычном

Seasons of life
Ученые впервые вырастили синтетический микробиом человека Ученые впервые вырастили синтетический микробиом человека

Можно ли воссоздать микробиом человека с нуля?

ТехИнсайдер
Гены опасных токсинов обнаружили у стафилококков из общепита по всей России Гены опасных токсинов обнаружили у стафилококков из общепита по всей России

Исследователи просеквенировали геном 35 образцов золотистого стафилококка

N+1
Теперь ваша кухня всегда будет чистой! Действенные способы избавиться от липкого налета и жира Теперь ваша кухня всегда будет чистой! Действенные способы избавиться от липкого налета и жира

Как без труда удалить грязь и сохранить вашу кухню в чистоте!

ТехИнсайдер
Мужчины и женщины все меньше отличаются друг от друга: так считают психологи Мужчины и женщины все меньше отличаются друг от друга: так считают психологи

Какие характерные особенности другого пола мы одалживаем?

VOICE
У кого из животных самая большая голова? У кого из животных самая большая голова?

У какого животного самая большая голова, если сравнивать ее с размерами тела?

ТехИнсайдер
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
Кровавая месса: Варфоломеевская ночь и ее причины Кровавая месса: Варфоломеевская ночь и ее причины

«Французы спятили, им отказали разом и чувства, и душа, и разум»

Вокруг света
«Мозг просто отказывался работать»: айтишник рассказывает, как выбрать коворкинг с удобным рабочим местом «Мозг просто отказывался работать»: айтишник рассказывает, как выбрать коворкинг с удобным рабочим местом

Как найти место, где будет удобно и приятно работать?

VC.RU
Ольга Ломоносова: «Моим детям досталась мама, которая любит работать» Ольга Ломоносова: «Моим детям досталась мама, которая любит работать»

Почему Ольга Ломоносова никогда не решится на пластическую операцию

Здоровье
Мечтала о славе, выдавала себя за другую: что скрывает Хилария Томас, родившая Алеку Болдуину восьмого ребенка Мечтала о славе, выдавала себя за другую: что скрывает Хилария Томас, родившая Алеку Болдуину восьмого ребенка

Жена Алека Болдуина Хилария Томас не так проста, как хотела бы казаться

VOICE
«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
10 лучших турецких сериалов о любви, от которых невозможно оторваться 10 лучших турецких сериалов о любви, от которых невозможно оторваться

Турецкие сериалы захватили мир

VOICE
Преобразовать страх в интерес: как побороть неуверенность в себе Преобразовать страх в интерес: как побороть неуверенность в себе

Откуда берется неуверенность в себе, чем она отличается от низкой самооценки

Forbes
«Ее персонажей было больше 10»: россиянка рассказала, как 3 года жила с «питерским Билли Миллиганом» «Ее персонажей было больше 10»: россиянка рассказала, как 3 года жила с «питерским Билли Миллиганом»

Шизофрения или патологическая лживость? История одной обманутой россиянки

Psychologies
Как перестать все забывать: простые способы улучшить память Как перестать все забывать: простые способы улучшить память

Можно ли натренировать память?

ТехИнсайдер
Как скачать Майнкрафт и установить на него моды? Как скачать Майнкрафт и установить на него моды?

Как установить Minecraft на компьютер и телефон

CHIP
Открыть в приложении