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

«Сапсан» «Сапсан»

Как охотятся сапсаны?

N+1
«Хочу весить 450 кг»: история Донны Симпсон, которая стала самой толстой матерью в мире «Хочу весить 450 кг»: история Донны Симпсон, которая стала самой толстой матерью в мире

Мужчины платили деньги, лишь бы только посмотреть, как Донна ест

VOICE
Тысячи сомиков-шмелей вскарабкались по водопадам Тысячи сомиков-шмелей вскарабкались по водопадам

Почему южноамериканские сомики-шмели необычно ведут себя у водопадов

N+1
Baltic 146 Path Baltic 146 Path

Особенности парусника Baltic 146 Path и этапы его создания

Y Magazine
Мы выбираем друг друга не случайно Мы выбираем друг друга не случайно

Выбор партнера предопределен всем предшествующим ходом нашей жизни

Psychologies
Путеводитель по Смоленской крепости Путеводитель по Смоленской крепости

История и современность старинного оборонительного сооружения

Культура.РФ
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
Почему в древности люди пили вино вместо воды и как выглядит самый древний погреб в мире: 10 удивительных фактов о вине Почему в древности люди пили вино вместо воды и как выглядит самый древний погреб в мире: 10 удивительных фактов о вине

Репутация вина укреплялась столетиями, но многого вы о нем не знали

ТехИнсайдер
Фитнес дома – эффективные упражнения для похудения: тренировка за 20 минут Фитнес дома – эффективные упражнения для похудения: тренировка за 20 минут

Как начать заниматься спортом дома?

VOICE
Прийти по-английски Прийти по-английски

Пора взяться за дело по изучению языка всерьез, let’s go!

VOICE
Как многодетная мать в декрете запустила бизнес по подбору одежды и привлекла 18 млн руб. от совладельца «Персоны» Как многодетная мать в декрете запустила бизнес по подбору одежды и привлекла 18 млн руб. от совладельца «Персоны»

Как Ольга Ким создала бизнес по подбору и доставке одежды в боксах Style Box

Inc.
8 фактов о королеве Елизавете II, в которых она предстает совсем не по-королевски 8 фактов о королеве Елизавете II, в которых она предстает совсем не по-королевски

Факты о королеве Елизавете II, нетипичные для монаршего статуса

Maxim
Отличные фильмы Киану Ривза, которые ты мог забыть или не видел Отличные фильмы Киану Ривза, которые ты мог забыть или не видел

Культурная программа для вечера, посвященного Киану Ривзу

Maxim
От ацтеков до пикселей От ацтеков до пикселей

Из чего состоит «Джиперс Криперс»

Weekend
Звук в наушниках стал тихим? Вероятно, они нуждаются в чистке! Как правильно чистить наушники Звук в наушниках стал тихим? Вероятно, они нуждаются в чистке! Как правильно чистить наушники

Что приводит к искажению звука в наушниках и что с этим делать?

ТехИнсайдер
«Цифры врут» «Цифры врут»

Связь между двумя явлениями объясняется наличием третьей переменной

N+1
Красный. Это Ferrari Красный. Это Ferrari

Красные феррари стали синонимом слова «скорость»

Вокруг света
4 самых серьезных последствия распада СССР 4 самых серьезных последствия распада СССР

Обратимся к истории и вспомним, к чему в итоге привел распад СССР

ТехИнсайдер
Астрономы уверены, что наконец раскрыли тайну колец Сатурна Астрономы уверены, что наконец раскрыли тайну колец Сатурна

«Потерянная» луна вращалась вокруг планеты, прежде чем была разорвана в клочья

ТехИнсайдер
Труп, который обманул Гитлера Труп, который обманул Гитлера

Непридуманная шпионская история с неожиданным участием Йена Флеминга

Дилетант
Камаzz Камаzz

Рэпер Камаzz о том, почему он сменил фамилию и как сбылась его заветная мечта

ЖАРА Magazine
Существует ли синдром самозванца или это просто выдумки психологов? Существует ли синдром самозванца или это просто выдумки психологов?

Синдром самозванца не считается расстройством психического здоровья

ТехИнсайдер
Что происходило с арт-рынком последние десять лет Что происходило с арт-рынком последние десять лет

За последнюю декаду изменился не только мир, но и рынок современного искусства

РБК
Яхты Яхты

Всё, чем смогла удивить за прошедший год индустрия люксового яхтостроения

Robb Report
Как принять горе и отказаться быть жертвой: 8 мудрых цитат автора книги «Выбор» Эдит Эгер Как принять горе и отказаться быть жертвой: 8 мудрых цитат автора книги «Выбор» Эдит Эгер

Эдит Эгер — как найти опору в себе

Psychologies
Как «перезапустить» либидо в браке Как «перезапустить» либидо в браке

Куда с годами уходит сексуальное влечение?

Psychologies
Помните времена черно-белых фильмов? Вот как они стали цветными Помните времена черно-белых фильмов? Вот как они стали цветными

Когда фильмы приобрели все полноту красок?

ТехИнсайдер
4 самых распространенных мифа о правильном питании 4 самых распространенных мифа о правильном питании

Нутрициолог разобрала несколько самых популярных мифов о здоровом питании

Psychologies
Почему люди исчезают из вашей жизни внезапно и навсегда: как рождается гостинг Почему люди исчезают из вашей жизни внезапно и навсегда: как рождается гостинг

Экологично завершить поднадоевшее общение — это талант

Psychologies
Любителям полежать в ванной посвящается: бомбочку для ванны вы можете сделать своими руками! Любителям полежать в ванной посвящается: бомбочку для ванны вы можете сделать своими руками!

Как изготовить бомбочку для ванны с минимальными затратами

ТехИнсайдер
Открыть в приложении