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

«Астероиды: рожденные пламенем» «Астероиды: рожденные пламенем»

Как ученые научились анализировать состав астероидов

N+1
Бунтарь с кукурузной трубкой в зубах Бунтарь с кукурузной трубкой в зубах

Дуглас Макартур не мыслил для себя никакого другого поприща, кроме армии

Дилетант
Употребление картофеля фри связали с ростом риска сахарного диабета Употребление картофеля фри связали с ростом риска сахарного диабета

Регулярное употребление картофеля фри связано с риском сахарного диабета

N+1
“Королева и ее злая сестра”: трогательный отрывок из новой книги про жизнь Елизаветы II и принцессы Маргарет “Королева и ее злая сестра”: трогательный отрывок из новой книги про жизнь Елизаветы II и принцессы Маргарет

Отрывок из книги “Елизавета и Маргарет. Частная жизнь сестер Виндзор”

VOICE
Можно ли плавать в Apple Watch: разбираемся в нюансах умных часов компании Можно ли плавать в Apple Watch: разбираемся в нюансах умных часов компании

Можно ли плавать в Apple Watch? Давайте разбираться. Нюансов здесь хватает

ТехИнсайдер
Имитация несъедобных предметов защитила животных от хищников лучше других видов маскировки Имитация несъедобных предметов защитила животных от хищников лучше других видов маскировки

Имитация несъедобных предметов является самой эффективной защитной окраской

N+1
«Тихое увольнение»: как начальники непроизвольно заставляют сотрудников уйти «по собственному» «Тихое увольнение»: как начальники непроизвольно заставляют сотрудников уйти «по собственному»

Как руководители негласно указывают сотрудникам на дверь?

VC.RU
Лес Лес

Филолог, журналист, сценарист, Шипнигов использует в своей прозе любой опыт

Правила жизни
Часы Часы

Времена меняются так стремительно, что часы бьют рекорды один за другим

Robb Report
С натяжкой. Как самостоятельно избавиться от второго подбородка С натяжкой. Как самостоятельно избавиться от второго подбородка

Комплекс упражнений и инструкция по массажу от эксперта по фейсфитнесу

Лиза
Филипп Гончаров: «Когда снимал Водянову, думал, будет самая сложная съемка в жизни, а оказалось - самая легкая!» Филипп Гончаров: «Когда снимал Водянову, думал, будет самая сложная съемка в жизни, а оказалось - самая легкая!»

Съемка знаменитостей — задача непростая. Но ТАК удается только Филиппу Гончарову

Караван историй
Рак предстательной железы: симптомы и профилактика Рак предстательной железы: симптомы и профилактика

Этот вид рака — один из самых частых на планете

Psychologies
Что надежнее: «механика», «автомат» или «вариатор»? Что надежнее: «механика», «автомат» или «вариатор»?

Какие коробки передач надежнее? И не торопись кричать «Механика!»

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.
Я спасу тебя от этой смертной любви. Новый фильм Пака Чхан-ука «Решение уйти» Я спасу тебя от этой смертной любви. Новый фильм Пака Чхан-ука «Решение уйти»

Чем Пак Чхан-ук удивляет зрителя в фильме «Решение уйти»

СНОБ
Что происходит с организмом человека после остановки сердца Что происходит с организмом человека после остановки сердца

После смерти тело какое-то время продолжает жить

ТехИнсайдер
Пусть пробуждение будет приятным Пусть пробуждение будет приятным

Почему мы иногда просыпаемся с болью в спине, шее, ногах, а то и во всем сразу?

Лиза
Что стало с актрисой, сыгравшей красотку Титти, бедовую возлюбленную комиссара Каттани в легендарном сериале Что стало с актрисой, сыгравшей красотку Титти, бедовую возлюбленную комиссара Каттани в легендарном сериале

Как жила актриса Барбара Де Росси?

VOICE
Грехи наших отцов: как потомки нацистов относятся к своей семейной истории и прошлому Грехи наших отцов: как потомки нацистов относятся к своей семейной истории и прошлому

Рассказываем о выборе, вставшем перед потомками нацистов и военных преступников

Forbes
Танцы, подкасты и откровенные фото: на чем зарабатывают самые богатые инфлюенсеры Танцы, подкасты и откровенные фото: на чем зарабатывают самые богатые инфлюенсеры

10 самых влиятельных женщин, живущих в сети

Forbes
Раздвигают тебе ноги и достают нож: Варис Дирие выжила после зверского обрезания, стала моделью и теперь спасает других Раздвигают тебе ноги и достают нож: Варис Дирие выжила после зверского обрезания, стала моделью и теперь спасает других

Модель из племени кочевников Варис Дирие пережила настоящую пытку

VOICE
Болезни легких у женщин Болезни легких у женщин

Кто может быть в зоне риска болезни легких и как из нее выйти

Лиза
Истории из жизни исландской деревни в романе Йона Стефанссона «Летний свет, а затем наступает ночь» Истории из жизни исландской деревни в романе Йона Стефанссона «Летний свет, а затем наступает ночь»

Отрывок из глубокого и ироничного романа Йона Кальмана Стефанссона

СНОБ
8 способов сделать игрушку для собаки своими руками: развлекаем питомца просто и недорого 8 способов сделать игрушку для собаки своими руками: развлекаем питомца просто и недорого

Как сделать игрушку для собаки, не потратив ни копейки

ТехИнсайдер
Будущее уже наступило: 5 лучших книг об искусственном интеллекте Будущее уже наступило: 5 лучших книг об искусственном интеллекте

Всегда ли искусственный интеллект облегчает нашу жизнь? Отвечают эти книги

ТехИнсайдер
7 советов, как наладить сон при сильном стрессе 7 советов, как наладить сон при сильном стрессе

Семь научно подтвержденных советов, как наладить сон при сильном стрессе

Inc.
Скончался от сифилиса, а голова захоронена отдельно от тела? Вся правда о смерти Александра Блока Скончался от сифилиса, а голова захоронена отдельно от тела? Вся правда о смерти Александра Блока

Чем заболел 40-летний поэт, почему так быстро умер и где захоронено его тело?

ТехИнсайдер
«Самое главное — это еда»: во сколько обходится содержание и образование детей «Самое главное — это еда»: во сколько обходится содержание и образование детей

Как меняется семейная система и экономика с появлением детей

Forbes
Мария Червоткина Мария Червоткина

Креативный консультант, ютьюб-блогер и арт-директор марки GATE31

Собака.ru
Красота по-королевски: как, несмотря на бум пластики, Елизавета II научилась принимать свою внешность Красота по-королевски: как, несмотря на бум пластики, Елизавета II научилась принимать свою внешность

Елизавета II — символ мудрого отношения к аристократичной красоте

VOICE
Открыть в приложении