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

Неандертальцы наследили на португальских пляжах Неандертальцы наследили на португальских пляжах

Археологи обнаружили на португальском побережье отпечатки ног неандертальцев

N+1
Рубенс на природе: разбираемся, что скрывается за пейзажами одного из основоположников барокко Рубенс на природе: разбираемся, что скрывается за пейзажами одного из основоположников барокко

Речь пойдет о Питере Пауле Рубенсе, дуализме, стоицизме и прочих воззрениях

Правила жизни
В Словакии обнаружили средневековое золотое кольцо с корундом со Шри-Ланки В Словакии обнаружили средневековое золотое кольцо с корундом со Шри-Ланки

Археологи описали необычное золотое кольцо, найденное в словацком городе Зволен

N+1
Кровавый навет: найденные в Англии останки принадлежат жертвам нориджской резни 1190 года Кровавый навет: найденные в Англии останки принадлежат жертвам нориджской резни 1190 года

Историки установили судьбу семнадцати людей, убитых более восьмисот лет назад

Вокруг света
5 фраз, которые мгновенно выдают неуверенного в себе человека — и как научиться звучать уверенно 5 фраз, которые мгновенно выдают неуверенного в себе человека — и как научиться звучать уверенно

Каких именно слов и выражений стоит избегать, чтобы речь звучала тверже

VOICE
Бунтарь с кукурузной трубкой в зубах Бунтарь с кукурузной трубкой в зубах

Дуглас Макартур не мыслил для себя никакого другого поприща, кроме армии

Дилетант
9 нестандартных способов использовать уксус дома и на даче 9 нестандартных способов использовать уксус дома и на даче

Столовый уксус может пригодиться не только в кулинарии, но и в быту

Лиза
Астрофизики выяснили, где прячутся обитатели водных экзопланет: контакт с инопланетянами близко? Астрофизики выяснили, где прячутся обитатели водных экзопланет: контакт с инопланетянами близко?

Исследователи, кажется, выяснили, где в космосе искать жизнь

ТехИнсайдер
Вот когда беспилотник не может обойтись без посторонней помощи: вы точно об этом не знали Вот когда беспилотник не может обойтись без посторонней помощи: вы точно об этом не знали

Полностью автономные автомобили создать невозможно

ТехИнсайдер
«Gaia»: новый взгляд на небо «Gaia»: новый взгляд на небо

Что телескоп «Gaia» позволил узнать о нашей Галактике?

Наука и жизнь
7 главных скандалов с королевой Елизаветой II 7 главных скандалов с королевой Елизаветой II

Все связанные с королевой Елизаветой II скандалы относятся к нарушению этикета

Maxim
«Тайная боль неуклонной потери»: как российские писатели и поэты уезжали в эмиграцию «Тайная боль неуклонной потери»: как российские писатели и поэты уезжали в эмиграцию

Бальмонт, Бунин, Бродский, Замятин, Набоков: почему им пришлось уехать из страны

Forbes
Аша Лемми: «Пятьдесят слов дождя». История незаконнорожденной дочери японской аристократки Аша Лемми: «Пятьдесят слов дождя». История незаконнорожденной дочери японской аристократки

Отрывок из опьяняющего романа «Пятьдесят слов дождя»

СНОБ
Громовержец Зевс: зачем США один из самых мощных в мире лазеров Громовержец Зевс: зачем США один из самых мощных в мире лазеров

Лазерная гонка открывает перед человечеством новые перспективы и вызовы

Forbes
Золото из мусора: перевернет ли новая технология переработку отходов электроники Золото из мусора: перевернет ли новая технология переработку отходов электроники

Можно ли сделать мусор ценным?

Forbes
«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
Города майя до сих пор отравлены ртутью Города майя до сих пор отравлены ртутью

Спустя 900 лет, почва в городах майа остается опасной из-за загрязнения ртутью

ТехИнсайдер
Личный опыт: я живу с циклотимией Личный опыт: я живу с циклотимией

Циклотомия: что это такое и как с ней жить?

Psychologies
Кишечник определяет наш аппетит и желание есть жирную пищу: исследование Кишечник определяет наш аппетит и желание есть жирную пищу: исследование

Как кишечник общается с мозгом?

ТехИнсайдер
Гинеколог из Твери привлек 1,4 млрд руб. инвестиций и открыл сеть клиник по России. Сегодня она зарабатывает 1,9 млрд руб. в год. История «Клиники Фомина» Гинеколог из Твери привлек 1,4 млрд руб. инвестиций и открыл сеть клиник по России. Сегодня она зарабатывает 1,9 млрд руб. в год. История «Клиники Фомина»

Как гинеколог из Твери открыл сеть больниц по России

Inc.
Откровения от Жана-Люка Годара: памяти последнего классика «новой волны» Откровения от Жана-Люка Годара: памяти последнего классика «новой волны»

О Годаре и о своей встрече с ним в Москве вспоминает Сергей Николаевич

СНОБ
Что делать, если под рукой нет утюга: 6 необычных способов погладить вещи Что делать, если под рукой нет утюга: 6 необычных способов погладить вещи

Делимся необычными лайфхаками, как разгладить вещи без использования утюга

ТехИнсайдер
ClubSwan 80 ClubSwan 80

My Song — первая лодка проекта ClubSwan 80

Y Magazine
Истории из жизни исландской деревни в романе Йона Стефанссона «Летний свет, а затем наступает ночь» Истории из жизни исландской деревни в романе Йона Стефанссона «Летний свет, а затем наступает ночь»

Отрывок из глубокого и ироничного романа Йона Кальмана Стефанссона

СНОБ
По пути «Из варяг» в… Испанию По пути «Из варяг» в… Испанию

Путешествие на лодке Hallberg-Rassy 48: от берегов Скандинавии в Испанию

Y Magazine
Коронные разряды превзошли грозовые облака по числу созданных радикалов-окислителей Коронные разряды превзошли грозовые облака по числу созданных радикалов-окислителей

Концентрация гидроксил-радикалов вблизи ЛЭП может увеличиться в сто раз

N+1
«Филиал ада»: как справиться с буллингом в школе и на работе «Филиал ада»: как справиться с буллингом в школе и на работе

Почему одни становятся буллерами, а другие — их жертвами?

Psychologies
Как добывают уран: самый рискованный бизнес Как добывают уран: самый рискованный бизнес

Какой уран добывают их рабочие, и как можно его использовать?

ТехИнсайдер
В испражнениях викингов был найден древнейший паразит, заражающий людей и по сей день — узнайте, как обезопасить себя В испражнениях викингов был найден древнейший паразит, заражающий людей и по сей день — узнайте, как обезопасить себя

Как власоглавы заражают людей?

ТехИнсайдер
Как Тиндер изменил нашу жизнь: гайд к 10-летию приложения Как Тиндер изменил нашу жизнь: гайд к 10-летию приложения

Как Тиндер изменил культуру свиданий и подход к отношениям

Psychologies
Открыть в приложении