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

Генетики прочитали ДНК последних охотников-собирателей Гималаев Генетики прочитали ДНК последних охотников-собирателей Гималаев

Генетики проанализировали ДНК больше ста представителей группы рауте

N+1
Гель-лак: плюсы, минусы и варианты дизайна Гель-лак: плюсы, минусы и варианты дизайна

Как сделать идеальный маникюр и как правильно снимать долгосрочное покрытие

РБК
Новое открытие в нейробиологии: ученые разобрались, как на самом деле работает память Новое открытие в нейробиологии: ученые разобрались, как на самом деле работает память

Какой процесс играет ключевую роль в том, как хранятся воспоминания?

Inc.
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
Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие

Двадцать разных способов мастурбации на любой вкус и цвет

Cosmopolitan
Всем спать: какие животные могут видеть сны? Всем спать: какие животные могут видеть сны?

То, что некоторые люди видят сны — это факт, а могут ли видеть их животные?

ТехИнсайдер
Фрагменты вместо речи Фрагменты вместо речи

«С любовью и яростью»: Клер Дени тягается с Роланом Бартом

Weekend
Настольные игры для веселой компании, которые можно сделать своими руками. Поиграем? Настольные игры для веселой компании, которые можно сделать своими руками. Поиграем?

Вам понадобится час свободного времени, руки, растущие из правильного места

ТехИнсайдер
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
«Я считаю это варварством!»: Меган Маркл отказалась рожать Арчи в больнице «на глазах у всех» «Я считаю это варварством!»: Меган Маркл отказалась рожать Арчи в больнице «на глазах у всех»

Герцоги Сассекские нарушили королевский протокол после рождения своего первенца

VOICE
Особенности парной терапии: как извлечь из нее максимальную пользу Особенности парной терапии: как извлечь из нее максимальную пользу

Сможет ли парная терапия помочь вашим отношениям?

Psychologies
10 лучших турецких сериалов о любви, от которых невозможно оторваться 10 лучших турецких сериалов о любви, от которых невозможно оторваться

Турецкие сериалы захватили мир

VOICE
Как искать работу, если вам больше 45 лет Как искать работу, если вам больше 45 лет

Почему людей старше 45 неохотно приглашают на собеседования

Psychologies
Madam Ladá Madam Ladá

Лада Бектемирова оставила дом, родных, собак и уехала почти в никуда — в Сенегал

Seasons of life
Изучим меню. Для тех, кто на диете Изучим меню. Для тех, кто на диете

Что заказать в кафе, чтобы не сидеть голодной

Лиза
Кто в доме хозяин Кто в доме хозяин

Почему в любовных отношениях возникает борьба за власть (и можно ли с этим жить)

Лиза
Что говорит создатель советского «Птичьего молока» о современных тортах: ты удивишься, когда узнаешь! Что говорит создатель советского «Птичьего молока» о современных тортах: ты удивишься, когда узнаешь!

Откуда и как в СССР появился торт «Птичье молоко»

VOICE
В Абхазии под остатками ранневизантийского храма нашли святилище колхидской культуры В Абхазии под остатками ранневизантийского храма нашли святилище колхидской культуры

Археологи обнаружили под остатками храма святилище колхидской культуры

N+1
Мировое искусство: как женщины-художницы говорили о гуманизме в своих работах Мировое искусство: как женщины-художницы говорили о гуманизме в своих работах

Художницы XX века, выступавшие с гуманистическими посланиями

Forbes
Окаменелые фекалии доказали, что люди начали одомашнивать скот на 2000 лет раньше, чем считали ученые Окаменелые фекалии доказали, что люди начали одомашнивать скот на 2000 лет раньше, чем считали ученые

Возможно, люди приручили животных раньше, чем растения

ТехИнсайдер
Как избавиться от синдрома самозванца и преуспеть в карьере Как избавиться от синдрома самозванца и преуспеть в карьере

Как распознать синдром самозванца и как от него избавиться

Psychologies
Насильственная психотерапия: Стив Карелл в новом сериале о внутреннем мире маньяков Насильственная психотерапия: Стив Карелл в новом сериале о внутреннем мире маньяков

«Пациент» — психологический триллер о психотерапевте

Forbes
Иррациональный человек: краткое пособие по общению со сложными людьми Иррациональный человек: краткое пособие по общению со сложными людьми

Наверняка вы попадали в такую ситуацию, когда собеседник будто вас не слышит

Psychologies
Для ребенка это яд: названы предметы, которых нужно избегать беременным женщинам Для ребенка это яд: названы предметы, которых нужно избегать беременным женщинам

Ученые назвали опасные материалы, с которыми мы контактируем каждый день

Вокруг света
Гид по счастью: главные открытия Запада и Востока Гид по счастью: главные открытия Запада и Востока

На что направить усилия, чтобы стать счастливее?

Psychologies
Названы 7 продуктов, которые являются природными афродизиаками Названы 7 продуктов, которые являются природными афродизиаками

Диетологи назвали суперпродукты, которые мгновенно поднимают ваше либидо!

ТехИнсайдер
Лето, прощай! Лето, прощай!

Как не столкнуться с таким понятием, как «постотпускной блюз»?

Лиза
Парад у Медного всадника, гулянье на Марсовом поле и… перенос полицейской будки Парад у Медного всадника, гулянье на Марсовом поле и… перенос полицейской будки

Юбилейные торжества в честь Петра Великого были скорее исключением, чем правилом

Дилетант
Палеогенетики диагностировали бруцеллез у итальянского блаженного монаха XIV века Палеогенетики диагностировали бруцеллез у итальянского блаженного монаха XIV века

Палеогенетики исследовали останки итальянского монаха XIV века

N+1
Elman Elman

Блиц-опрос певца и продюсера Эльмана Зейналова

ЖАРА Magazine
Открыть в приложении