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

Вторую межзвездную комету заподозрили в рекордной старости Вторую межзвездную комету заподозрили в рекордной старости

Какие свойства у открытого межзвездного объекта — кометы 3I/ATLAS

N+1
Что делать, если под рукой нет утюга: 6 необычных способов погладить вещи Что делать, если под рукой нет утюга: 6 необычных способов погладить вещи

Делимся необычными лайфхаками, как разгладить вещи без использования утюга

ТехИнсайдер
Глубоководная добыча полезных ископаемых заглушит биологически важные звуки Глубоководная добыча полезных ископаемых заглушит биологически важные звуки

Как шум от разработки морского дна мешает коммуникации морских обитателей

N+1
«Тайная боль неуклонной потери»: как российские писатели и поэты уезжали в эмиграцию «Тайная боль неуклонной потери»: как российские писатели и поэты уезжали в эмиграцию

Бальмонт, Бунин, Бродский, Замятин, Набоков: почему им пришлось уехать из страны

Forbes
Большое плавание Большое плавание

Экскурсия по «Планете Океан»

Weekend
Путешествия Путешествия

Состоятельные граждане мира готовы платить вдвое за путешествия мечты

Robb Report
Новые эластичные генераторы позволяют заряжать станции прямо под водой Новые эластичные генераторы позволяют заряжать станции прямо под водой

Аккумуляторы, которые получают электричество от любого движения

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

Почему многие считают отвратительным куннилингус и минет

Psychologies
Метаанализ выявил поражения мозга при обезьяньей оспе Метаанализ выявил поражения мозга при обезьяньей оспе

Оспа обезьян может вызывать судороги, спутанность сознания и энцефалит

N+1
Как выглядели породистые собаки столетия назад, и почему они так изменились Как выглядели породистые собаки столетия назад, и почему они так изменились

А вы знали, как ваш питомец выглядел 100 лет назад?

ТехИнсайдер
«В меня влюблен друг мужа, и… мне это нравится» «В меня влюблен друг мужа, и… мне это нравится»

Но что, если влюбленность между двумя из треугольника витает в воздухе?

Psychologies
Ход конем Ход конем

Приручение лошади стало первым и важнейшим прорывом в истории человечества

Вокруг света
Рис, рыба и еще 7 продуктов, которые многие моют неправильно Рис, рыба и еще 7 продуктов, которые многие моют неправильно

Как правильно мыть продукты, чтобы получить максимум вкуса и пользы

Лиза
«Голиафы должны уйти» «Голиафы должны уйти»

Адильхан Ержанов о своем новом фильме «Голиаф»

Weekend
Хигураси Хигураси

Анаит Григорян не только посол японской культуры в русскоязычной литературе

Правила жизни
Команда! Команда!

Команды наших любимых брендов — Ushatava и Autentiments

Собака.ru
Как Корнелия Сорабджи стала первой женщиной-адвокатом в Индии Как Корнелия Сорабджи стала первой женщиной-адвокатом в Индии

Рассказываем историю первой индийской женщины-адвоката

Forbes
«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
Короткая мотивация: как правильно работать с кадрами в ресторанной индустрии Короткая мотивация: как правильно работать с кадрами в ресторанной индустрии

Как мотивировать персонал и зачем нужны тренеры в общепите

Forbes
Что скажешь - изменились? Как супермодели девяностых выглядят на показах в 2022 Что скажешь - изменились? Как супермодели девяностых выглядят на показах в 2022

Модели из нашей подборки остаются роскошными на протяжении десятилетий

VOICE
Жертва обмана или сообщница: история жены маньяка Феодосии Чикатило Жертва обмана или сообщница: история жены маньяка Феодосии Чикатило

Феодосия Чикатило утверждала: она понятия не имела, что творил ее муж

VOICE
Лучшие научно-популярные книги о человеке Лучшие научно-популярные книги о человеке

Пожалуй, ни одно существо на свете наука не изучала так подробно, как человека

ТехИнсайдер
Зачем Петр I издал эти указы? 5 самых странных и необычных реформ российского императора Зачем Петр I издал эти указы? 5 самых странных и необычных реформ российского императора

Зачем Петр I реформировал алфавит и летоисчисление?

ТехИнсайдер
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
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.
Апноэ во сне связали с риском рака, тромбоэмболии и когнитивных нарушений Апноэ во сне связали с риском рака, тромбоэмболии и когнитивных нарушений

Наибольшее влияние оказывает вызываемая заболеванием апноэ гипоксия

N+1
9 нестандартных способов использовать уксус дома и на даче 9 нестандартных способов использовать уксус дома и на даче

Столовый уксус может пригодиться не только в кулинарии, но и в быту

Лиза
Почему в отношениях не нужно быть удобной женщиной Почему в отношениях не нужно быть удобной женщиной

Иногда женщины думают, что быть удобной — значит обеспечить себе идеальную жизнь

Psychologies
10 самых тупых поступков героинь фильмов ужасов 10 самых тупых поступков героинь фильмов ужасов

Глупые поступки, которые совершают девушки из хорроров

Maxim
Стоп-лист: мастер маникюра рассказала, какие 5 вещей никогда не сделает со своими ногтями Стоп-лист: мастер маникюра рассказала, какие 5 вещей никогда не сделает со своими ногтями

Свежий маникюр — лучший способ почувствовать себя на миллион долларов

VOICE
Открыть в приложении