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

В Испании нашли древнейшее на Пиренейском полуострове изделие из зуба бегемота В Испании нашли древнейшее на Пиренейском полуострове изделие из зуба бегемота

В Испании обнаружили древнейший артефакт, изготовленный из зуба бегемота

N+1
Археологи уточнили хронологию памятника Сунгирь Археологи уточнили хронологию памятника Сунгирь

Взрослый мужчина Сунгирь-1 умер около 33340–35140 лет назад

N+1
На Марсе нашли протяженные прибрежные осадочные отложения древнего океана На Марсе нашли протяженные прибрежные осадочные отложения древнего океана

Хотя поверхность Марса сухая, многие особенности рельефа ― древние речные дельты

N+1
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
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.
Крылатый гость Крылатый гость

Дебютный роман Соболева – «Грифоны охраняют лиру» – вышел в 2021 году

Правила жизни
Не замучилась — не хозяйка: почему нас так выматывает быт Не замучилась — не хозяйка: почему нас так выматывает быт

Почему мы так устаем от домашних дел?

VOICE
9 фильмов, которые успокоят ваши нервы и разрядят обстановку 9 фильмов, которые успокоят ваши нервы и разрядят обстановку

Фильмы, которые помогут отвлечься негативных мыслей и наполнить вас энергией

ТехИнсайдер
Физики порисовали по сегнетоэлектрику на нанометровом масштабе Физики порисовали по сегнетоэлектрику на нанометровом масштабе

Новый метод лазерной печати сегнетоэлектрических доменов в ниобате лития

N+1
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
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
Их знают все: как сложилась жизнь легендарных советских телеведущих Их знают все: как сложилась жизнь легендарных советских телеведущих

Рассказываем о самых главных лицах голубых экранов СССР

VOICE
Пусть пробуждение будет приятным Пусть пробуждение будет приятным

Почему мы иногда просыпаемся с болью в спине, шее, ногах, а то и во всем сразу?

Лиза
Мужчина не помогает по дому: как с этим бороться Мужчина не помогает по дому: как с этим бороться

Почему мужчины не помогают с домашней работой и что с этим можно сделать?

Psychologies
У-вэй: 5 принципов философии «ничегонеделанья» — внедрите их в свою жизнь сегодня У-вэй: 5 принципов философии «ничегонеделанья» — внедрите их в свою жизнь сегодня

Как принципы у-вэй могут помочь человеку в современной жизни?

Psychologies
Скончалась королева Елизавета II: за что мы ее любили и почему нам так горько? Скончалась королева Елизавета II: за что мы ее любили и почему нам так горько?

Почему жизнь Елизаветы II всегда находилась в центре внимания?

Psychologies
В неолитической керамике из Шотландии нашли следы молочной каши В неолитической керамике из Шотландии нашли следы молочной каши

Ученые исследовали находки IV тысячелетия до нашей эры

N+1
Эффект Даннинга–Крюгера: почему некомпетентные люди уверены в своей компетентности? Эффект Даннинга–Крюгера: почему некомпетентные люди уверены в своей компетентности?

Почему все эти люди так вопиюще некомпетентны и не замечают этого?

Psychologies
Правые силы Правые силы

Площадки современного искусства и проекты домов моды вдоль правого берега Сены

Seasons of life
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
Магические единороги и $900 за ничего: айтишники рассказали о своём опыте работы в «мутных» компаниях Магические единороги и $900 за ничего: айтишники рассказали о своём опыте работы в «мутных» компаниях

ИТ — это не всегда про непрерывное развитие, прозрачные процессы, командный дух

VC.RU
Испытание делом Испытание делом

Экзоскелеты появляются в новостях нечасто и кажутся вещью из будущего

ТехИнсайдер
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
Эта часть СССР была оккупирована нацистами после захвата Берлина. Как такое возможно? Эта часть СССР была оккупирована нацистами после захвата Берлина. Как такое возможно?

Было место, откуда нацисты после разгрома ушли гораздо позже

ТехИнсайдер
Как «Сбер» набирает топ-менеджеров с помощью игр Как «Сбер» набирает топ-менеджеров с помощью игр

Какой подход для подборки кандидатов придумал «Сбер»

Forbes
Сильная доля: пять женщин, которые изменили академическую музыку Сильная доля: пять женщин, которые изменили академическую музыку

Композиторы, которые нарушили гендерное однообразие в сфере классической музыки

Forbes
Солистка группы «Моя Мишель» Таня Ткачук — о консервативных слушателях, творческом пике и темной стороне филологии Солистка группы «Моя Мишель» Таня Ткачук — о консервативных слушателях, творческом пике и темной стороне филологии

Таня Ткачук — о том, как оставаться на коне больше десяти лет

Правила жизни
У человека нет никакого У человека нет никакого

Концепция «мозга ящерицы» у млекопитающих может быть одним огромным заблуждением

ТехИнсайдер
Как вытащить засевшую в грязи машину без трактора самому: вот несколько способов Как вытащить засевшую в грязи машину без трактора самому: вот несколько способов

Как вытащить автомобиль безопасно для людей и самой машины

ТехИнсайдер
Intel говорит, что закон Мура работает. Nvidia говорит, что он мертв. Кто же прав? Intel говорит, что закон Мура работает. Nvidia говорит, что он мертв. Кто же прав?

Имеет ли этот закон вычислительной техники право на жизнь?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении