Под давлением. Чего не выдержало открытие комнатной сверхпроводимости
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.