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 выявили мужчин армянского происхождения в средневековом Болгаре Генетики выявили мужчин армянского происхождения в средневековом Болгаре

Палеогенетики секвенировали ДНК похороненных у стен средневекового Болгара

N+1
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
В центре нашей Галактики обнаружены загадочные обьекты. Они могут раскрыть главную тайну Вселенной В центре нашей Галактики обнаружены загадочные обьекты. Они могут раскрыть главную тайну Вселенной

Новый способ пролить свет на загадку темной материи

Inc.
Любовный треугольник Ленина: как неприметная Крупская увела Ильича у красотки Якубовой Любовный треугольник Ленина: как неприметная Крупская увела Ильича у красотки Якубовой

Не всем известно, что семья "отца революции" началась с "романа на троих"

VOICE
Тревожное исследование: ChatGPT убивает наше критическое мышление Тревожное исследование: ChatGPT убивает наше критическое мышление

Чем чрезмерное использование нейросетей крайне вредно для нашего мозга

ТехИнсайдер
Как правильно спать — на спине, на боку, на животе? И что нужно делать, чтобы просыпаться отдохнувшим и полным сил? Как правильно спать — на спине, на боку, на животе? И что нужно делать, чтобы просыпаться отдохнувшим и полным сил?

Существует ли научный способ подобрать позу для сна, которая будет идеальна?

ТехИнсайдер
Почему нельзя? Почему нельзя?

Попытаемся разобраться в самых распространенных суевериях

Лиза
Большая маленькая Я Большая маленькая Я

«Когда же я повзрослею!» – кокетливо говорит женщина лет 30

VOICE
Судебная ошибка: 6 секретов иллюстраций Джона Тенниела к «Приключениям Алисы в Стране чудес» Судебная ошибка: 6 секретов иллюстраций Джона Тенниела к «Приключениям Алисы в Стране чудес»

Как Льюис Кэрролл пригласил в иллюстраторы политического карикатуриста

Вокруг света
Наталья Гордиенко Наталья Гордиенко

Наталья Гордиенко рассказала о первой авторской песне и конкуренции в шоубизе

ЖАРА Magazine
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
9 книг, которые помогут приблизиться к миру современного искусства 9 книг, которые помогут приблизиться к миру современного искусства

Из этих книг можно узнать, как воспринимать непонятные арт-объекты

РБК
Найден способ охладить полюса Земли на 2°C «очень дешево» Найден способ охладить полюса Земли на 2°C «очень дешево»

Можно ли снизить температуру на Земле?

ТехИнсайдер
Путешествие во времени: как перестать бояться будущего и научиться жить в настоящем Путешествие во времени: как перестать бояться будущего и научиться жить в настоящем

Как планировать будущее, чтобы пожить, наконец, в настоящем

VOICE
Как эмигрантка из СССР стала Майку Тайсону второй мамой - а родная мать не замечала! Как эмигрантка из СССР стала Майку Тайсону второй мамой - а родная мать не замечала!

У Майка Тайсона была родная мать и названная — Камила Ищук, эмигрантка из СССР

VOICE
Невидимое насилие: как распознать повседневное нарушение границ в паре Невидимое насилие: как распознать повседневное нарушение границ в паре

Чтобы не переступать черту в отношениях, важно уважать суверенность другого

Psychologies
Как перестать все забывать: простые способы улучшить память Как перестать все забывать: простые способы улучшить память

Можно ли натренировать память?

ТехИнсайдер
Обсудим наши условия: восемь женщин-дипломатов Обсудим наши условия: восемь женщин-дипломатов

Восемь женщин, которые стремились сделать международные отношения лучше

Forbes
Проклятая табуретка для сплетниц, маска зайчика и другие неожиданные виды пыток в Средневековье Проклятая табуретка для сплетниц, маска зайчика и другие неожиданные виды пыток в Средневековье

Если суд не мог доказать вину человека, его подвергали пыткам

ТехИнсайдер
Простить обидчика искренне: 5 важных шагов Простить обидчика искренне: 5 важных шагов

Что же такое прощение и что можно сделать, чтобы действительно простить человека

Psychologies
Сажай первоцветы осенью Сажай первоцветы осенью

Завершая этот дачный сезон, мы уже готовимся к следующему

Лиза
15-сантиметровый клитор, родство с кошками, самые мощные в мире челюсти и другие неожиданные факты о гиенах 15-сантиметровый клитор, родство с кошками, самые мощные в мире челюсти и другие неожиданные факты о гиенах

Гиены - весьма интересные млекопитающие

ТехИнсайдер
Красота спасет мир: история картины «Зеленая полоса» художницы Ольги Розановой и что привело русский авангард к цветописи Красота спасет мир: история картины «Зеленая полоса» художницы Ольги Розановой и что привело русский авангард к цветописи

Разбор шедевра беспредметной живописи, картины «Зеленая полоса» Ольги Розановой

Правила жизни
На чужих берегах: аудиоспектакль к 100-летию первой волны русской эмиграции На чужих берегах: аудиоспектакль к 100-летию первой волны русской эмиграции

Отрывок из текстовой версии аудиоспектакля «На чужих берегах» об эмиграции

СНОБ
Blue II: суперяхта XXI века Blue II: суперяхта XXI века

Blue II — эстетика труженика морей и «душа» классической моторной яхты

Y Magazine
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
Как просить прощения, чтобы тебя действительно простили Как просить прощения, чтобы тебя действительно простили

Как правильно просить прощения

VOICE
Максим Никулин: «Вокруг отца была магическая аура...» Максим Никулин: «Вокруг отца была магическая аура...»

В его характере была черта, которую, думаю, невозможно в себе воспитать

Караван историй
Эвакуация автомобиля: как спасти машину и не платить штрафы Эвакуация автомобиля: как спасти машину и не платить штрафы

Эвакуацию автомобиля можно предотвратить

РБК
Cекретный чат в Телеграме: зачем он нужен и как его создать Cекретный чат в Телеграме: зачем он нужен и как его создать

Секретный чат в телеграмме: что, зачем и как?

CHIP
Открыть в приложении