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

Потепление не смогло заменить диатомовые водоросли динофлагеллятами Потепление не смогло заменить диатомовые водоросли динофлагеллятами

Почему динофлагелляты они не стали преобладать над диатомовыми водорослями

N+1
Рыбный день: обратите внимание на 6 полезных и 6 вредных видов рыбы Рыбный день: обратите внимание на 6 полезных и 6 вредных видов рыбы

Не вся рыба одинаково полезна, а некоторые виды стоит избегать

ТехИнсайдер
Ученые объяснили, как езда на велосипеде способствует снижению риска развития деменции Ученые объяснили, как езда на велосипеде способствует снижению риска развития деменции

Езда на велосипеде полезнее, чем вы думали

ТехИнсайдер
Создаем уют дома: как превратить дом в райское место Создаем уют дома: как превратить дом в райское место

Вещи, которые помогут создать в квартире уютную и теплую атмосферу

ТехИнсайдер
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
Энтомологи насчитали 20 квадриллионов муравьев на Земле Энтомологи насчитали 20 квадриллионов муравьев на Земле

Общая биомасса муравьев составила 20 процентов биомассы человечества

N+1
Почему при лобовых столкновениях пассажиры чаще выживают в более дорогих автомобилях? Почему при лобовых столкновениях пассажиры чаще выживают в более дорогих автомобилях?

Действительно ли дорогие автомобили более безопасные?

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

Как разглядеть в толпе обыкновенного хорошего парня

VOICE
Автор «Франкенштейна»: как Мэри Шелли пыталась найти свое место в литературе Автор «Франкенштейна»: как Мэри Шелли пыталась найти свое место в литературе

Как Мэри Шелли создала культового персонажа современной поп-культуры

Forbes
Попытка быть сложнее Попытка быть сложнее

Миксомицеты или слизевики – удивительная группа живых существ

Вокруг света
Вот как понять, что у вашей собаки тревога от разлуки Вот как понять, что у вашей собаки тревога от разлуки

Ваша собака испытывает стресс всякий раз, когда вы выходите из дома?

ТехИнсайдер
Народный артист России Вадим Репин — о дисциплине и вдохновении Народный артист России Вадим Репин — о дисциплине и вдохновении

Cкрипач Вадимом Репиным — о фестивалях и любви к автомобилям

РБК

В есенинскую ловушку попал ни один десяток одиноких и замужних девушек

ТехИнсайдер
Вырасти из трех детских платьев Вырасти из трех детских платьев

История бренда Molinialife, который начался с 1800 рублей

Inc.
Как устроен оргазм и в чем его истинное предназначение Как устроен оргазм и в чем его истинное предназначение

Почему во время оргазма подкашиваются ноги, что у него общего с чиханием?

ТехИнсайдер
6 фетишей, о существовании которых ты не знал 6 фетишей, о существовании которых ты не знал

Прочитай об этих фетишах в компании своих любимых стеков, плеток и наручников

Maxim
Волшебный шкаф Волшебный шкаф

Беречь вещи, продлевать им жизнь, реже покупать новые – разумный подход

VOICE
5 причин появления темных кругов под глазами по мнению дерматологов 5 причин появления темных кругов под глазами по мнению дерматологов

Недосып не единственная причина возникновения темных кругов под глазами

ТехИнсайдер
Как выбрать для ребенка подходящий кружок или секцию? Отвечает педагог Дима Зицер Как выбрать для ребенка подходящий кружок или секцию? Отвечает педагог Дима Зицер

Какие внешкольные занятия подойдут ребенку?

СНОБ
Гендерные стереотипы: почему мы сомневаемся в компетентности женщин Гендерные стереотипы: почему мы сомневаемся в компетентности женщин

Как гендерные стереотипы мешают нам оценивать профессионализмов людей?

Psychologies
Почему электромобили на самом деле очень опасны? Все дело в шуме Почему электромобили на самом деле очень опасны? Все дело в шуме

Как должны звучать электромобили?

ТехИнсайдер
Физики с помощью нейросети рассчитали квантовый фазовый переход Физики с помощью нейросети рассчитали квантовый фазовый переход

Физики поняли, как работает механизм фазового перехода

ТехИнсайдер
Хотите похудеть или нарастить мышцы? Вот что нужно есть каждый день! Хотите похудеть или нарастить мышцы? Вот что нужно есть каждый день!

Измените питание с малого: повысьте количество белков в дневном рационе

ТехИнсайдер
Как научиться принимать то, что мы не можем изменить Как научиться принимать то, что мы не можем изменить

Отрывок из книги Массимо Пильюччи «Как быть стоиком»

Psychologies
Голубой вагон, голубой щенок, голубая чашка: откуда в СССР была такая любовь к голубому цвету? Голубой вагон, голубой щенок, голубая чашка: откуда в СССР была такая любовь к голубому цвету?

В советской культуре был явный перебор с голубым цветом

ТехИнсайдер
Наплели моду Наплели моду

Что не так с поисками майорановских фермионов и при чем тут Microsoft

N+1
По пути «Из варяг» в… Испанию По пути «Из варяг» в… Испанию

Путешествие на лодке Hallberg-Rassy 48: от берегов Скандинавии в Испанию

Y Magazine
В зубном камне жертв майя из пещеры «Полуночного ужаса» нашли синие хлопковые волокна В зубном камне жертв майя из пещеры «Полуночного ужаса» нашли синие хлопковые волокна

Ученые исследовали зубы, найденные в пещере «Полуночного ужаса»

N+1
«Двойник Чикатило»: история Константина Черемушкина, который маскировался под другого маньяка «Двойник Чикатило»: история Константина Черемушкина, который маскировался под другого маньяка

Никто так и не понял, почему Константин Черёмушкин уродовал тела жертв

VOICE
Черкесский экспресс Черкесский экспресс

Зинаида Пронченко о самом обнадеживающем российском фильме

Weekend
Открыть в приложении