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

За 10 лет арктические дафнии не смогли приспособиться к потеплению За 10 лет арктические дафнии не смогли приспособиться к потеплению

Почему особи бесполых дафний плохо переносят потепление

N+1
Свайп среди чужих: как Tinder изменил нашу жизнь за 10 лет (и изменил ли) Свайп среди чужих: как Tinder изменил нашу жизнь за 10 лет (и изменил ли)

Tinder упростил нашу межличностную коммуникацию — или нет?

Правила жизни
Новое исследование: мат улучшает спортивные результаты Новое исследование: мат улучшает спортивные результаты

Как «матюки» во время физических нагрузок помогают превзойти свои возможности

Maxim
У кого из животных самая большая голова? У кого из животных самая большая голова?

У какого животного самая большая голова, если сравнивать ее с размерами тела?

ТехИнсайдер
Почему женщины бегают к тарологам в 30, а мужчины верят в теории заговора после 50 лет Почему женщины бегают к тарологам в 30, а мужчины верят в теории заговора после 50 лет

Почему женщины склонны впадать в эзотерику в молодом возрасте, а мужчины в 50

Psychologies
Орнитологи описали новый вид птиц с субантарктических островов Орнитологи описали новый вид птиц с субантарктических островов

Ученые открыли новый вид птиц — субантарктическую райадито

N+1
Будущее уже наступило: 5 лучших книг об искусственном интеллекте Будущее уже наступило: 5 лучших книг об искусственном интеллекте

Всегда ли искусственный интеллект облегчает нашу жизнь? Отвечают эти книги

ТехИнсайдер
Елизавета Моряк: Елизавета Моряк:

Умирать в кадре — это элемент творчества

Коллекция. Караван историй
Не сотвори себе кумира: как современные байопики меняют отношение к музыкантам Не сотвори себе кумира: как современные байопики меняют отношение к музыкантам

Фильм, который рассказывает о событиях в жизни Элвиса Пресли

Forbes
Замятин, Лукьяненко и Туровский: кого читают эксперты по кибербезопасности Замятин, Лукьяненко и Туровский: кого читают эксперты по кибербезопасности

Список книг, которые рекомендует к прочтению эксперт «Лаборатории Касперского»

ТехИнсайдер
7 признаков, что вам не хватает витамина С 7 признаков, что вам не хватает витамина С

Получаете ли вы достаточное количество витамина С?

Inc.
Шаг за шагом Шаг за шагом

Какие вехи преодолело человечество, чтобы достичь нынешних скоростей?

Вокруг света
Как правильно пить пиво Как правильно пить пиво

Оказывается, даже с пивом мы не всегда поступаем как надо

Maxim
Спасение долгожителей Спасение долгожителей

Охотское море – самое южное место обитания холодолюбивых гренландских китов

ТехИнсайдер
Как очистить ковер в домашних условиях: ковер будет как новый Как очистить ковер в домашних условиях: ковер будет как новый

Теперь не нужно таскать тяжелый ковер на улицу, его можно очистить дома!

ТехИнсайдер
Палеоантропологи диагностировали у алтайского неандертальца верхнечелюстной синусит Палеоантропологи диагностировали у алтайского неандертальца верхнечелюстной синусит

Палеоантропологи исследовали фрагмент левой верхней челюсти неандертальца

N+1
«Тяжелые времена для обувного бизнеса»: почему закрылся бренд, который обувал Урганта «Тяжелые времена для обувного бизнеса»: почему закрылся бренд, который обувал Урганта

История российского обувного бренда Gottlieb Schwarz

Forbes
«Тихое увольнение»: что значит новый карьерный тренд «Тихое увольнение»: что значит новый карьерный тренд

Новый тренд в менеджменте назвали quiet quitting, или «тихий уход»

Psychologies
«Погрустить я тоже люблю» «Погрустить я тоже люблю»

Руслан Братов о том, каково дебютировать в авторском кино в 2022 году

Weekend
Тритий пошел Тритий пошел

Изотоп водорода может подарить нам батарейки, работающие годы без подзарядки

ТехИнсайдер
Дюк Д’Окелюс Дюк Д’Окелюс

Среди работ Вильяма Бруй мозг отключается, ты весь становишься сердцем

Seasons of life
«Лондонский мост»: из чего состоит секретный план правительства Великобритании на случай смерти Елизаветы II «Лондонский мост»: из чего состоит секретный план правительства Великобритании на случай смерти Елизаветы II

«Лондонский мост рухнул» — так называется план похорон Елизаветы II

Правила жизни
Ольга Ломоносова: «Моим детям досталась мама, которая любит работать» Ольга Ломоносова: «Моим детям досталась мама, которая любит работать»

Почему Ольга Ломоносова никогда не решится на пластическую операцию

Здоровье
Справляться с трудностями стоически: античные приемы, ставшие частью современной психотерапии Справляться с трудностями стоически: античные приемы, ставшие частью современной психотерапии

Отрывок из книги Маркоса Васкеса «Стоики Побеждают»

Psychologies
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
Маньяк, которого ловили 18 лет: чем откровения Михаила Новоселова шокировали следователей Маньяк, которого ловили 18 лет: чем откровения Михаила Новоселова шокировали следователей

Журналисты прозвали Михаила Новоселова «Бунтарем-некрофилом»

VOICE
Гид по счастью: главные открытия Запада и Востока Гид по счастью: главные открытия Запада и Востока

На что направить усилия, чтобы стать счастливее?

Psychologies
Как понять, что ваш телефон прослушивается: 5 неочевидных признаков Как понять, что ваш телефон прослушивается: 5 неочевидных признаков

По каким признакам можно определить, что вас прослушивают?

ТехИнсайдер
Вирусы использовали белок бактерии в своих целях Вирусы использовали белок бактерии в своих целях

Содержание белка CtrA оказалось способным влиять на экспрессию генов вируса

N+1
Читая «Капитал» Читая «Капитал»

Джорджа Блейка принято называть легендарным советским разведчиком

Дилетант
Открыть в приложении