Международная группа физиков, среди которых были и российские исследователи, доказала, что уже при рекордно большой температуре в –23 °C в гидриде лантана наблюдается сверхпроводимость. Хотя этот конкретный материал использовать в качестве сверхпроводника и нерационально, он указывает на путь, который может привести к обнаружению действительно эффективных и практичных сверхпроводящих материалов.
Структура гидрида лантана LaH10
© Kruglov et al.
Сверхпроводимость, то есть отсутствие у проводника сопротивления при температуре ниже определенной точки, была открыта в начале прошлого века. Долгое время считалось, что ученые довольно хорошо поняли это явление. Была создана теория Бардина — Купера — Шриффера (кратко ее называют теорией БКШ), согласно которой электроны в состоянии сверхпроводимости двигаются парами, с противоположными спинами (то есть, упрощенно, с противоположными направлениями вращения вокруг своей оси). Такие пары не испытывают сопротивления при движении через кристаллическую решетку материала.
Однако у этой теории есть проблема: она предсказывает, что такие пары электронов (ученые назвали их куперовскими) могут существовать только при весьма низких температурах, не выше –243 °C. Иначе поведение электронов в парах перестает быть скореллированным, и они распадаются.
Самые ценные для практики сверхпроводники — те, в которых температура перехода в сверхпроводящее состояние как можно выше. Начиная с 1980-х такие материалы открывают систематически, но объяснить их свойства теоретически ученые не смогли. Поэтому трудно выбрать и наиболее перспективные направления поиска таких материалов. Поэтому ученые не вполне понимают, какие именно свойства нужны высокотемпературным сверхпроводникам, и иногда ищут их почти вслепую.
Новая работа затрагивает прошлогодний эксперимент с гидридом лантана (LaH10). Согласно одной из не вполне подтвержденных гипотез, ранее этот материал считался возможным высокотемпературным проводником. Это весьма экзотическое соединение с клатратной структурой. Это означает, что атомы водорода образуют в гидриде лантана «решетку», в которой они связаны друг с другом ковалентными связями. При этом в центре решетки из десяти атомов водорода лежит один атом лантана, который удерживает уже ионная, а не ковалентная связь.
К сожалению, такие клатраты получить очень сложно — для этого нужна температура выше 700 °C, атмосфера из чистого водорода и давление в пару миллионов атмосфер. То есть получить их можно только в алмазной наковальне, отчего размер полученного образца будет микроскопическим. К тому же проверить его проводимость в таких условиях очень сложно — сверхвысокое давление разрушит любые электроды. Даже синтез соединения очень сложен, и оно впервые было получено только в 2017 году.
В своей новой работе, опубликованной в Nature, исследователи решили косвенно подтвердить, достигается ли сверхпроводимость в образцах гидрида лантана. Для этого они воздействовали магнитным полем на образец гидрида лантана размером в 20 микрометров. При этом ученые следили, как по мере изменения температуры образца меняются параметры поля.
Оказалось, что они действительно меняются, а при температуре от –23 °C и ниже магнитное поле будет полностью вытесняться из материала — так, как и должно быть в случае сверхпроводника. Это показывает, что гидрид лантана действительно сверхпроводник, причем рекордно высокотемпературный. На данный момент нет ни одной научной работы, опубликованной в рецензируемом журнале, которая показывала бы более высокую температуру перехода любого материала в сверхпроводящее состояние.
Конечно, практическое использование такого сверхпроводника вне стен лабораторий сомнительно. Давление в 1,7 миллиона атмосфер, при котором гидрид лантана показывает сверхпроводимость, поддерживать слишком дорого. Однако изучение этого экзотического соединения даст возможность лучше понять, как именно возникает высокотемпературная сверхпроводимость, а значит, и решить вопрос о том, в каком материале она будет поддерживаться при нормальном давлении и максимально возможной температуре.
Статья опубликована в журнале Nature
Источник: chrdk.ru
