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

«Джеймс Уэбб» впервые оценил состав поверхности пары транснептуновых объектов «Джеймс Уэбб» впервые оценил состав поверхности пары транснептуновых объектов

«Джеймс Уэбб» оценил состав поверхности двойной системы транснептуновых объектов

N+1
9 продуктов, которые помогут избавиться от тошноты 9 продуктов, которые помогут избавиться от тошноты

Как не допустить тошноты? Мы знаем способы обойтись без таблеток!

Лиза
В разлагающихся трупах нашли универсальную микробную сеть В разлагающихся трупах нашли универсальную микробную сеть

В процессе разложения формируется уникальная микробная сеть

N+1
5 нездоровых шаблонов мышления и чем их заменить 5 нездоровых шаблонов мышления и чем их заменить

Зачастую причина эмоциональной нестабильности в нездоровых шаблонах мышления

Psychologies
Из СССР — вокруг света: как Юрий Сенкевич прожил жизнь-путешествие Из СССР — вокруг света: как Юрий Сенкевич прожил жизнь-путешествие

Юрий Сенкевич и его жизнь, полная приключений

Psychologies
Драгоценности Драгоценности

Ювелирные Дома искали необычные материалы и делали ставку на вечные ценности

Robb Report
Прозаичная смерть: как погиб великий Чингисхан и есть ли в мифах зерно истины Прозаичная смерть: как погиб великий Чингисхан и есть ли в мифах зерно истины

Существуют множество легенд о том, как умер Чингисхан

ТехИнсайдер
Укладка на паяльник, ацетон на волосы, вазелин на веки: бьюти-лайфхаки советских женщин на фоне дефицита косметики Укладка на паяльник, ацетон на волосы, вазелин на веки: бьюти-лайфхаки советских женщин на фоне дефицита косметики

Как советские дамы умудрялись выглядеть красивыми, ухоженными и стильными

ТехИнсайдер
Маленькость самцов колибри-пчелок объяснили половым отбором Маленькость самцов колибри-пчелок объяснили половым отбором

Самцы этих колибри стали мельче самок, чтобы лучше исполнять брачные танцы

N+1
Точка кипения: что делать, если чувствуете, что сейчас сорветесь Точка кипения: что делать, если чувствуете, что сейчас сорветесь

Как распознать приближение нервного срыва и избежать рецидива?

Правила жизни
Лариса Голубкина: Лариса Голубкина:

Я ощущала внутреннюю окрыленность и не собиралась ее терять

Коллекция. Караван историй
Так свадьба или пытка? 5 свадебных обрядов на Руси, от которых у вас пойдут мурашки Так свадьба или пытка? 5 свадебных обрядов на Руси, от которых у вас пойдут мурашки

Русские люди тысячелетиями отмечали свадьбы с размахом

ТехИнсайдер
Секс как форма внутренней дисциплины Секс как форма внутренней дисциплины

Зачем нужны два пола?

СНОБ
Вопрос психологу: как справиться с тревогой и позаботиться о своей психике в трудной ситуации Вопрос психологу: как справиться с тревогой и позаботиться о своей психике в трудной ситуации

Как распознать эмоции и обходиться с ними в моменте

Правила жизни
4 вещи, которые сильнее всего раздражают в мессенджерах 4 вещи, которые сильнее всего раздражают в мессенджерах

Иногда собеседника в мессенджере бывает трудно понять

Maxim
Профессор психологии назвала 7 признаков нарциссического родителя: «Это токсичный способ воспитания детей» Профессор психологии назвала 7 признаков нарциссического родителя: «Это токсичный способ воспитания детей»

Родительство требует эмпатии и сострадания

Inc.
Фото Лохнесского чудовища: новые подробности о том, что на самом деле запечатлели фотографы Фото Лохнесского чудовища: новые подробности о том, что на самом деле запечатлели фотографы

Существует ли Лохнесское чудовище и правдивы ли фото?

ТехИнсайдер
Августейшая хозяйка Твери Августейшая хозяйка Твери

Портрет Екатерины был создан во время пребывания сестры Александра I в Твери

Дилетант
Российские ученые показали, что ИИ распознает изображения хуже человека Российские ученые показали, что ИИ распознает изображения хуже человека

Ученые рассказали, из-за чего компьютерное зрение хуже распознает изображения

ТехИнсайдер
Как почистить кофеварку и почему вам следует это делать как можно чаще Как почистить кофеварку и почему вам следует это делать как можно чаще

Рассказываем, как легко преобразить вашу кофеварку!

ТехИнсайдер
Что такое бессульфатные шампуни и зачем ими пользоваться Что такое бессульфатные шампуни и зачем ими пользоваться

Так ли опасны сульфаты в шампунях и чем их можно заменить

РБК
Интервью Павла Пепперштейна с нейронной сетью — о писательстве и гендере Интервью Павла Пепперштейна с нейронной сетью — о писательстве и гендере

Павел Пепперштейн и его цифровой двойник — о совместном творчестве

РБК
Среди предков современных жителей Памира нашли древних таримцев Среди предков современных жителей Памира нашли древних таримцев

Генетики исследовали происхождение популяций Центральной Азии

N+1
Как воспитывать сыновей: советы матерям и отцам Как воспитывать сыновей: советы матерям и отцам

Что делать родителям, чтобы сын действительно вырос их «гордостью»?

Psychologies
Как правильно разрешать конфликты в зависимости от психотипа собеседника Как правильно разрешать конфликты в зависимости от психотипа собеседника

Какие бывают психотипы личности? И как с каждым из них нужно решать конфликты?

Psychologies
Гибрид «ридера» и бумаги: в Англии представили новый вид книг с дополненной реальностью Гибрид «ридера» и бумаги: в Англии представили новый вид книг с дополненной реальностью

Ученые поставили точку в вечном споре, какой вид книг лучше

Вокруг света
Бекон горя: как перестать заедать стресс Бекон горя: как перестать заедать стресс

Рассказываем, как избежать заедания эмоций

Правила жизни
Коллективный опыт: как NFT стал краудфандинговой платформой для цифровых художников Коллективный опыт: как NFT стал краудфандинговой платформой для цифровых художников

Какую роль блокчейн сыграл в развитии цифрового искусства?

Forbes
Есть только МиГ Есть только МиГ

Все три года войны центральное место занимало противостояние ВВС СССР и США

Дилетант
Проклятие разума: ген, отличающий людей от обезьян, связан с эпилепсией и шизофренией Проклятие разума: ген, отличающий людей от обезьян, связан с эпилепсией и шизофренией

Почему мы другие? Возможно, ученые скоро ответят на этот вопрос

Вокруг света
Открыть в приложении