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

Губки на роструме снизили эффективность эхолокации афалин Губки на роструме снизили эффективность эхолокации афалин

Почему афалины редко охотятся с губками на роструме?

N+1
Каждый справится: 10 комнатных растений, которые практически не нуждаются в уходе Каждый справится: 10 комнатных растений, которые практически не нуждаются в уходе

Растения, которые может себе позволить даже тот, кто часто уезжает из дома

ТехИнсайдер
Мальчик или девочка? Вероятность рождения сына или дочери не равна 50/50 Мальчик или девочка? Вероятность рождения сына или дочери не равна 50/50

Как возраст матери играет ключевую роль в определении пола будущего ребенка

ТехИнсайдер
Иллюзия выбора Иллюзия выбора

Если не «Гранта», то кто?

Автопилот
11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
Рисунки на живом холсте Рисунки на живом холсте

Как Старый Свет знакомился с «диким искусством» татуировки

Y Magazine
Топ-10 романтических фильмов о путешествии во времени — любовь творит чудеса! Топ-10 романтических фильмов о путешествии во времени — любовь творит чудеса!

Фильмы о том, что настоящей любви ничто не помеха — даже время!

VOICE
Порно для панды, четырехголовый половой член ехидны и другие способы оставить потомство в мире животных Порно для панды, четырехголовый половой член ехидны и другие способы оставить потомство в мире животных

В животном мире размножение — не всегда прямолинейный процесс

ТехИнсайдер
Почему психологи не дают советов? Почему психологи не дают советов?

Почему человек должен сам найти решение своей проблемы?

Psychologies
14 любопытных фактов о королеве Елизавете II, которых вы скорее всего не знали: коллекция корги и езда без прав 14 любопытных фактов о королеве Елизавете II, которых вы скорее всего не знали: коллекция корги и езда без прав

Несколько малоизвестных забавных фактов о Ее Величестве Елизавете II

ТехИнсайдер
Как бережно и аккуратно вытащить увязший в снегу автомобиль: 10 правил Как бережно и аккуратно вытащить увязший в снегу автомобиль: 10 правил

Что делать, если нет буксира, и при этом избежать поломок и проблем со здоровьем

ТехИнсайдер
Как бывший рабочий колбасного завода открыл свой премиальный бренд экомасел и растит его даже в кризис Как бывший рабочий колбасного завода открыл свой премиальный бренд экомасел и растит его даже в кризис

Евгению Бардину 24 года, и три из них он ведет совсем не «зумерский» бизнес

Inc.
«Это всего лишь углерод»: ученые придумали ветряки, которые можно перерабатывать в мармеладных мишек «Это всего лишь углерод»: ученые придумали ветряки, которые можно перерабатывать в мармеладных мишек

Из отработанных лопастей ветряков можно будет сделать буквально все что угодно

Вокруг света
Первый оргазм, запрет на секс или сублимация: психолог о сексуальной жизни после 60 Первый оргазм, запрет на секс или сублимация: психолог о сексуальной жизни после 60

У желаний нет возраста

Psychologies
Почти половину смертей от рака можно предотвратить Почти половину смертей от рака можно предотвратить

Почти 50% смертей от рака во всем мире вызваны предотвратимыми факторами риска

ТехИнсайдер
Охота к перемене мест Охота к перемене мест

У нас в стране есть фантастические места, где интересно и по-осеннему красиво

Лиза

Окситоцин стимулирует стволовые клетки развиваться в кардиомиоциты

ТехИнсайдер
10 способов относиться к себе проще 10 способов относиться к себе проще

Как перестать требовать от себя слишком многого?

Psychologies
Как определить свои ценности: 4 простых шага Как определить свои ценности: 4 простых шага

Как провести переоценку, оставив только то, что действительно нужно

Psychologies
Опасная химия: как гормоны портят твои отношения с мужчиной Опасная химия: как гормоны портят твои отношения с мужчиной

Спойлер: гормоны заставляют тебя делать глупости

VOICE
Рис, рыба и еще 7 продуктов, которые многие моют неправильно Рис, рыба и еще 7 продуктов, которые многие моют неправильно

Как правильно мыть продукты, чтобы получить максимум вкуса и пользы

Лиза
Гарриет Бичер-Стоу Гарриет Бичер-Стоу

Самая известная американская писательница XIX века родилась в 1811 году

Дилетант
Корея против Кореи Корея против Кореи

Эту войну называют «забытой». В Советском Союзе о ней мало писали и говорили

Дилетант
4 совета, которые помогут вам лучше заботиться о себе 4 совета, которые помогут вам лучше заботиться о себе

Как определить, правильно ли вы заботитесь о себе

Psychologies
Черкесский экспресс Черкесский экспресс

Зинаида Пронченко о самом обнадеживающем российском фильме

Weekend
Правда ли, что бежавшие французы от голода ели своих сослуживцев? 5 удивительных фактов об Отечественной войне 1812 года Правда ли, что бежавшие французы от голода ели своих сослуживцев? 5 удивительных фактов об Отечественной войне 1812 года

Эти подробности Отечественной войны 1812 года удивят даже знатоков истории!

ТехИнсайдер
Из чего состоит собеседование продакт-менеджера и как к нему подготовиться кандидату и работодателю Из чего состоит собеседование продакт-менеджера и как к нему подготовиться кандидату и работодателю

Пример структуры собеседования продакт-менеджера и вопросы, которые могут задать

VC.RU
Лоббист, эколог и романтик: что делал принц Чарльз до того, как стать королем Лоббист, эколог и романтик: что делал принц Чарльз до того, как стать королем

После смерти Елизаветы II королем стал ее сын Чарльз. Рассказываем о нем

СНОБ
Сила рукопожатия, религиозность и еще 3 приметы, указывающие на потенциального долгожителя Сила рукопожатия, религиозность и еще 3 приметы, указывающие на потенциального долгожителя

Можно ли предсказать, станем ли мы долгожителями?

ТехИнсайдер
Попытка быть сложнее Попытка быть сложнее

Миксомицеты или слизевики – удивительная группа живых существ

Вокруг света
Открыть в приложении