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

Colossal возродит новозеландских моа Colossal возродит новозеландских моа

Colossal Biosciences заявила о планах возродить новозеландских моа

N+1
Королевство полной луны Королевство полной луны

Королевство Шато Шапито в Грузии — сказка, в которую очень хочется верить

Seasons of life
Откуда к нам прилетела межзвездная комета? Астрономы впервые отследили ее путь Откуда к нам прилетела межзвездная комета? Астрономы впервые отследили ее путь

Астрономам впервые удалось точно установить, откуда прибыл межзвездный гость

Inc.
5 нездоровых шаблонов мышления и чем их заменить 5 нездоровых шаблонов мышления и чем их заменить

Зачастую причина эмоциональной нестабильности в нездоровых шаблонах мышления

Psychologies
Тишина в голове: может ли человек какое-то время вообще ни о чем не думать? Тишина в голове: может ли человек какое-то время вообще ни о чем не думать?

Можем ли мы добиться абсолютной ментальной тишины в голове?

ТехИнсайдер
Почему люди сплетничают и когда сплетни - это хорошо? Почему люди сплетничают и когда сплетни - это хорошо?

Почему сплетни - неотъемлемая часть нашего общения

ТехИнсайдер
«Сын-подросток постоянно спит и мало ест»: стоит ли пытаться изменить образ жизни ребенка? «Сын-подросток постоянно спит и мало ест»: стоит ли пытаться изменить образ жизни ребенка?

Как наладить доверительные отношения с подростком?

Psychologies
Физики смогли получить акустические частотные гребенки на 10 гигагерцах Физики смогли получить акустические частотные гребенки на 10 гигагерцах

Физики смогли сгенерировать когерентные акустические частотные гребенки

N+1
14 любопытных фактов о королеве Елизавете II, которых вы скорее всего не знали: коллекция корги и езда без прав 14 любопытных фактов о королеве Елизавете II, которых вы скорее всего не знали: коллекция корги и езда без прав

Несколько малоизвестных забавных фактов о Ее Величестве Елизавете II

ТехИнсайдер
Ученые смогли получить «расписание» турбулентности: теперь самолеты смогут летать спокойно Ученые смогли получить «расписание» турбулентности: теперь самолеты смогут летать спокойно

Турбулентность — вещь случайная или нет?

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
Сам себе коуч Сам себе коуч

Такой вы актрису Глафиру Тарханову еще не видели

OK!
Золото из мусора: перевернет ли новая технология переработку отходов электроники Золото из мусора: перевернет ли новая технология переработку отходов электроники

Можно ли сделать мусор ценным?

Forbes
Зачем военно-морскому флоту США понадобились самолеты F-14... И почему их вскоре списали Зачем военно-морскому флоту США понадобились самолеты F-14... И почему их вскоре списали

Решения американского командования зачастую оказываются абсурдными и глупыми

ТехИнсайдер
Туннельный эффект помог провести радикальные химические реакции Туннельный эффект помог провести радикальные химические реакции

Химики проводят радикальные реакции без использования токсичных реагентов

N+1
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.
«Стильной нужно быть сейчас, а не когда похудеете»: стилист о бодипозитиве и любви к себе «Стильной нужно быть сейчас, а не когда похудеете»: стилист о бодипозитиве и любви к себе

Как найти причины быть красивой в любом весе уже сегодня?

Psychologies
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
Манежная площадь Манежная площадь

Автомобильные выставки в дореволюционной России

Автопилот
Нужен сооснователь-мужчина: как женские стартапы привлекают инвестиции Нужен сооснователь-мужчина: как женские стартапы привлекают инвестиции

Инвесторы все чаще включают женские проекты в свои пайплайны

Forbes
Налоги, дипломатия, сыр: чем занималась Лиз Трасс, прежде чем стала премьер-министром Налоги, дипломатия, сыр: чем занималась Лиз Трасс, прежде чем стала премьер-министром

Карьерный путь и взгляды новой главы британского правительства

Forbes
Секс в семье с маленькими детьми: 3 правила для родителей Секс в семье с маленькими детьми: 3 правила для родителей

Секс в паре должен быть независимо от того, есть ли у вас дети или нет

Psychologies
5 колоссальных мегапроектов СССР, которые в итоге так и не достроили 5 колоссальных мегапроектов СССР, которые в итоге так и не достроили

Великие колоссы СССР, так и не дождавшиеся славы

ТехИнсайдер
Как поменялся автомобильный мир при королеве Великобритании Елизавете II Как поменялся автомобильный мир при королеве Великобритании Елизавете II

Как в жизнь английской королевы уместилась почти вся автомобильная история

РБК
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
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
Шармейн Уилкерсон: «Черный торт». Эмоциональный дебютный роман о семейных тайнах Шармейн Уилкерсон: «Черный торт». Эмоциональный дебютный роман о семейных тайнах

Эмоциональный и красивый роман о семье, жизнь которой внезапно изменилась

СНОБ
«Да не старею я!»: почему нас раздражают призывы начать новую жизнь в зрелом возрасте «Да не старею я!»: почему нас раздражают призывы начать новую жизнь в зрелом возрасте

Можно ли в старости просто продолжать жить?

Psychologies
Не просто рутина, а искусство: как превратить бритье в хобби Не просто рутина, а искусство: как превратить бритье в хобби

Как правильно бриться и как превратить это занятие в настоящее искусство

ТехИнсайдер
Профессор Гарварда назвала 3 признака пассивно-агрессивного поведения в рабочей переписке Профессор Гарварда назвала 3 признака пассивно-агрессивного поведения в рабочей переписке

Большинство недопониманий в переписке люди придумывают

Inc.
Открыть в приложении