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

За 10 лет арктические дафнии не смогли приспособиться к потеплению За 10 лет арктические дафнии не смогли приспособиться к потеплению

Почему особи бесполых дафний плохо переносят потепление

N+1
Что такое Что такое

Что же такое "урочище" , и какой интерес оно представляет для нас?

ТехИнсайдер
Женщины-фридайверы из Южной Кореи адаптировались для жизни под водой Женщины-фридайверы из Южной Кореи адаптировались для жизни под водой

Чем отличаются женщины общины хэнё от кореянок, живущими на материке

ТехИнсайдер
Мужчина не помогает по дому: как с этим бороться Мужчина не помогает по дому: как с этим бороться

Почему мужчины не помогают с домашней работой и что с этим можно сделать?

Psychologies
Вместо похода к психологу: 4 домашних дела, которые помогут успокоить нервы Вместо похода к психологу: 4 домашних дела, которые помогут успокоить нервы

Как снизить уровень стресса и снять тревогу в домашних условиях?

ТехИнсайдер
Главные писатели-эмигранты из России. Узнаете ли вы всех? Главные писатели-эмигранты из России. Узнаете ли вы всех?

Самые знаменитые "культурные" эмигранты

ТехИнсайдер
Роковой Ильич: как неприметная Крупская увела Ленина у красотки Якубовой Роковой Ильич: как неприметная Крупская увела Ленина у красотки Якубовой

Семья «отца революции» также началась с «романа на троих»

VOICE
5 типичных проблем в сексе: причины и решения 5 типичных проблем в сексе: причины и решения

Какие проблемы в сексе самые распространенные?

Psychologies
«Работаю над тем, чтобы принять форму груши»: за что мир полюбил Селесту Барбер «Работаю над тем, чтобы принять форму груши»: за что мир полюбил Селесту Барбер

Селеста Барбер — блогер, прославившаяся пародиями на интернет-красавиц

Forbes
8 необычных побочных эффектов беременности 8 необычных побочных эффектов беременности

Что ждет беременную в ее новом состоянии

Лиза
МРТ для молекул: как Милдред Кон исследовала обмен веществ вопреки стереотипам МРТ для молекул: как Милдред Кон исследовала обмен веществ вопреки стереотипам

Биохимик Милдред Кон объяснила всему миру, как живые организмы запасают энергию

Forbes
Поиск скрытой правды: случайные открытия, сделанные учеными Поиск скрытой правды: случайные открытия, сделанные учеными

Наука — творческий процесс

ТехИнсайдер
Не сотвори себе кумира: как современные байопики меняют отношение к музыкантам Не сотвори себе кумира: как современные байопики меняют отношение к музыкантам

Фильм, который рассказывает о событиях в жизни Элвиса Пресли

Forbes
Солистка группы «Моя Мишель» Таня Ткачук — о консервативных слушателях, творческом пике и темной стороне филологии Солистка группы «Моя Мишель» Таня Ткачук — о консервативных слушателях, творческом пике и темной стороне филологии

Таня Ткачук — о том, как оставаться на коне больше десяти лет

Правила жизни
Быстро постарели и умерли: ученые заставили дрозофил жить под светом компьютеров Быстро постарели и умерли: ученые заставили дрозофил жить под светом компьютеров

Организмы мушек не выдержали воздействия синего света

Вокруг света
Как почистить кофеварку и почему вам следует это делать как можно чаще Как почистить кофеварку и почему вам следует это делать как можно чаще

Рассказываем, как легко преобразить вашу кофеварку!

ТехИнсайдер
Вирусы использовали белок бактерии в своих целях Вирусы использовали белок бактерии в своих целях

Содержание белка CtrA оказалось способным влиять на экспрессию генов вируса

N+1
Фото Лохнесского чудовища: новые подробности о том, что на самом деле запечатлели фотографы Фото Лохнесского чудовища: новые подробности о том, что на самом деле запечатлели фотографы

Существует ли Лохнесское чудовище и правдивы ли фото?

ТехИнсайдер
Скажите, доктор: как предотвратить болезни, которые могут появиться в старости Скажите, доктор: как предотвратить болезни, которые могут появиться в старости

Что нужно делать в 20, 30, 40 и 50 лет, чтобы жить не только долго

Правила жизни
Британские ученые развенчали миф о Британские ученые развенчали миф о

Как каннабис влияет на наш мозг?

ТехИнсайдер
3 фразы, которые нельзя говорить человеку в депрессии 3 фразы, которые нельзя говорить человеку в депрессии

Использование этих фраз может усугубить состояние человека в депрессии

Psychologies
Как распознать хорошего парня: да, они правда существуют Как распознать хорошего парня: да, они правда существуют

Как разглядеть в толпе обыкновенного хорошего парня

VOICE
«Годовщина свадьбы будет скорбным днем»: отрывок из романа о семейных узах и секретах «Годовщина свадьбы будет скорбным днем»: отрывок из романа о семейных узах и секретах

Отрывок из книги «Черный торт» — о браке по принуждению и смерти на свадьбе

Forbes
Что на самом деле произошло с самой красивой индийской актрисой Шридеви - мрачная загадка Болливуда Что на самом деле произошло с самой красивой индийской актрисой Шридеви - мрачная загадка Болливуда

Шридеви называли самой яркой звездой болливудского небосклона

VOICE
Откровения от Жана-Люка Годара: памяти последнего классика «новой волны» Откровения от Жана-Люка Годара: памяти последнего классика «новой волны»

О Годаре и о своей встрече с ним в Москве вспоминает Сергей Николаевич

СНОБ
4 неловкие ситуации, которые укрепляют отношения 4 неловкие ситуации, которые укрепляют отношения

Странные привычки, разговоры о сексе и другие неловкие ситуации в отношениях

Psychologies
Помощники и угроза: что могут тараканы-киборги Помощники и угроза: что могут тараканы-киборги

Эпоха насекомых-киборгов наступает прямо на наших глазах

Forbes
10 увлекательных книг о кругосветках, которые стоит прочесть каждому 10 увлекательных книг о кругосветках, которые стоит прочесть каждому

Готовы отправиться в путь?

Вокруг света
Животные могут скорбеть о мертвых так же, как люди: ритуалы смерти из мира дикой природы Животные могут скорбеть о мертвых так же, как люди: ритуалы смерти из мира дикой природы

Как животные переживают смерть сородичей?

ТехИнсайдер
Как узнать характер мужчины по его внешности? Как узнать характер мужчины по его внешности?

Что внешность может сказать о мужчине?

VOICE
Открыть в приложении