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

«Путеводитель по Средневековью: Мир глазами ученых, шпионов, купцов и паломников» «Путеводитель по Средневековью: Мир глазами ученых, шпионов, купцов и паломников»

Каково было совершать паломничество на борту галеи

N+1
Какие упражнения лучше не делать после 40 лет? Какие упражнения лучше не делать после 40 лет?

5 упражнений, которые лучше пропустить, если суставы с возрастом болят все чаще

Maxim
Способ приготовления кофе влияет на продолжительность вашей жизни Способ приготовления кофе влияет на продолжительность вашей жизни

Какой способ приготовления кофе сохраняет защитные эффекты напитка?

ТехИнсайдер
Как мужчине выбрать себе украшение, а как — лучше не надо Как мужчине выбрать себе украшение, а как — лучше не надо

Браслеты, серьги и кольца: как выбрать мужское украшение?

Maxim
10 ошибок в аэропорту, которые дорого вам обойдутся 10 ошибок в аэропорту, которые дорого вам обойдутся

Рассказываем о мелочах, которые могут существенно подорвать бюджет поездки

Maxim
«Стильной нужно быть сейчас, а не когда похудеете»: стилист о бодипозитиве и любви к себе «Стильной нужно быть сейчас, а не когда похудеете»: стилист о бодипозитиве и любви к себе

Как найти причины быть красивой в любом весе уже сегодня?

Psychologies
Попытка примирения: как в 1940-е годы русская эмиграция разделилась на два лагеря Попытка примирения: как в 1940-е годы русская эмиграция разделилась на два лагеря

Глава из книги специалиста по русской эмиграции Олега Будницкого «Другая Россия»

Forbes
Ученые Гарвардской медицинской школы выяснили, когда лучше есть, чтобы снизить риск депрессии Ученые Гарвардской медицинской школы выяснили, когда лучше есть, чтобы снизить риск депрессии

Почему нужно питаться по циркадным ритмам?

Inc.
Таяние Арктики приведет к усилению Эль-Ниньо в тропическом Тихом океане Таяние Арктики приведет к усилению Эль-Ниньо в тропическом Тихом океане

Таяние морского льда в Арктике глобально повлияет на климат Земли

ТехИнсайдер
Почему мы так плохо знаем математику? Во всем виноваты древние греки Почему мы так плохо знаем математику? Во всем виноваты древние греки

Почему математика вызывает у многих детей и взрослых страх и беспокойство

ТехИнсайдер
Рэйография, редимейд, ракурс: как Ман Рэй изменил искусство Рэйография, редимейд, ракурс: как Ман Рэй изменил искусство

На примере пяти работ показываем, как Ман Рэй изменил фотографию и искусство

Правила жизни
Первая порнография Нового времени Первая порнография Нового времени

«Позы Аретино» — скандал, затянувшийся на 500 лет

Weekend
6 признаков того, что отношения выгорели: проверьте вашу пару 6 признаков того, что отношения выгорели: проверьте вашу пару

Ваши отношения кажутся плоскими, скучными и пресными?

Psychologies
Саяка Мурата: «Земляноиды». Мрачная антиутопия в переводе Дмитрия Коваленина Саяка Мурата: «Земляноиды». Мрачная антиутопия в переводе Дмитрия Коваленина

Отрывок из японской антиутопии «Земляноиды» на тему одиночества и неравенства

СНОБ
За себя и за того парня За себя и за того парня

Как перестать работать за других

Лиза
Тихие долины Тихие долины

Российское виноделие переживает бум

Robb Report
Как пить кофе, чтобы он не окрашивал зубы: советы врачей Как пить кофе, чтобы он не окрашивал зубы: советы врачей

Можно ли как-то предотвратить процесс окрашивания зубов?

ТехИнсайдер
Как Елизавета II ездила в метро, садилась верхом в 92 года и нарушала традиции Как Елизавета II ездила в метро, садилась верхом в 92 года и нарушала традиции

Многие думают, что Елизавета II всю жизнь вела себя по строгому протоколу

VOICE
Этой статуэтке 1800 лет — письмена на ней не удавалось расшифровать больше 100 лет Этой статуэтке 1800 лет — письмена на ней не удавалось расшифровать больше 100 лет

Что за письмена скрывала статуэтка Тустлы?

ТехИнсайдер
Бананово-лимонный бизнес-тур: как устроена работа торгового представительства РФ в Сингапуре Бананово-лимонный бизнес-тур: как устроена работа торгового представительства РФ в Сингапуре

Как выйти на рынок Сингапура и найти там партнера

Inc.
Грехи наших отцов: как потомки нацистов относятся к своей семейной истории и прошлому Грехи наших отцов: как потомки нацистов относятся к своей семейной истории и прошлому

Рассказываем о выборе, вставшем перед потомками нацистов и военных преступников

Forbes
Эвакуация автомобиля: как спасти машину и не платить штрафы Эвакуация автомобиля: как спасти машину и не платить штрафы

Эвакуацию автомобиля можно предотвратить

РБК
Средство, которое поможет всему организму: чем полезен активированный уголь для лица, волос и желудка Средство, которое поможет всему организму: чем полезен активированный уголь для лица, волос и желудка

На что способен активированный уголь?

ТехИнсайдер
Почему закладывает одну ноздрю и другие странности тела, у которых есть научное объяснение Почему закладывает одну ноздрю и другие странности тела, у которых есть научное объяснение

Узнай ответы на пять загадок нашей физиологии

Maxim
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
Гуверинг как вид абьюза: зачем нарцисс пытается вас вернуть и как ему не поддаться Гуверинг как вид абьюза: зачем нарцисс пытается вас вернуть и как ему не поддаться

Гуверинг — форма нарциссического насилия

Psychologies
Выделения из влагалища вместо духов: чем опасен новый интернет-тренд? Выделения из влагалища вместо духов: чем опасен новый интернет-тренд?

Что такое ваббинг и опасен ли он?

Psychologies
15 заповедей употребления алкоголя, которые понимаешь с возрастом 15 заповедей употребления алкоголя, которые понимаешь с возрастом

Великая алкогольная мудрость теперь доступна тебе!

Maxim
Бакман, Барнс и Исигуро. 5 книг актуальных европейских авторов Бакман, Барнс и Исигуро. 5 книг актуальных европейских авторов

Достойные произведения лучших европейских писателей, имена которых стоит знать

СНОБ
Директор фонда AdVita о трансплантации костного мозга и лечении онкологии в России Директор фонда AdVita о трансплантации костного мозга и лечении онкологии в России

Директор фонда AdVita — как собирать средства на исследовательские проекты

Forbes
Открыть в приложении