Сверхпроводимость при комнатной температуре: реванш советской науки

МОСКВА, 23 апр — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Ученые добились сверхпроводящего состояния вещества при рекордно высокой температуре — минус 13 градусов Цельсия. Для этого к образцу пришлось приложить давление около двух миллионов атмосфер. Подробностями уникального эксперимента с РИА Новости поделился один из авторов прорывной работы физик Виктор Стружкин.

"Тухлое" открытие нобелевского уровня

В 2015 году ученые из Германии, возглавляемые Михаилом Еремцом, опубликовали в Nature статью о том, что сероводород (H₂S) становится сверхпроводником при 203 кельвинах (минус 70 градусов Цельсия). В СМИ это явление окрестили "тухлой" сверхпроводимостью.

В декабре прошлого года та же научная группа сообщила, что с супергидридом лантана (LaH₁₀) добилась температуры перехода в сверхпроводящее состояние (Tc) на уровне 250 кельвинов.

Их достижение превзошла группа Рассела Хемли из Университета Джорджа Вашингтона в США: 260 кельвинов, что соответствует минус 13 градусам Цельсия, обычной зимней температуре.

Это мировой рекорд на пути к одному из "священных граалей" физиков. Долго ли он продержится? Между занимающимися этой тематикой научными группами сильная конкуренция.

"Мы планируем ряд экспериментов с гидридами лантана и иттрия, чтобы приблизиться к сверхпроводимости при комнатной температуре", — комментирует РИА Новости Виктор Стружкин, коллега Хемли, один из авторов этого исследования.

© Иллюстрация РИА Новости

Кристаллическая структура гидрида лантана. Каждый атом лантана связан с десятью атомами водорода

Водород как металл

Сверхпроводимость известна больше века. Практически применяется с 1960-х, когда синтезировали ниобий-титан, переходящий в сверхпроводящее состояние при температурах жидкого гелия.

В 1990-х открыли сверхпроводники нового класса — купраты, бораты, пниктиды. Их называют высокотемпературными, хотя работают они при минус 196 градусах, в жидком азоте.

Для обоих видов сверхпроводников нужен криостат, что мешает их широкому распространению в электротехнике. Единственное массовое изделие, где они востребованы, — магнитно-резонансные томографы для медицины.

И вдруг такой научный прорыв. Причем с совершенно другим классом веществ — легкими соединениями на основе водорода, или гидридами.

"Сейчас только в них наблюдается сверхпроводимость при температурах, близких к комнатной. С купратами и соединениями железа прогресса нет, так как неизвестен механизм сверхпроводимости в них, следовательно, непонятно, по каким параметрам оптимизировать сверхпроводящий переход. В гидридах, напротив, все известно — там фононный механизм, описываемый теорией Бардина, Купера и Шриффера", — продолжает Стружкин.

Согласно теории БКШ (так ее называют для краткости), в кристаллической решетке вещества возникает фонон — область энергетического возбуждения. В ее центре находится ион, к которому стягиваются электроны. В результате образуется куперовская пара — два электрона, действующие как одна частица. Они движутся по кристаллической решетке, не встречая препятствий.

Эти куперовские пары обеспечивают сверхпроводимость — ток по образцу без сопротивления и, соответственно, потерь энергии.

Если металлы нужно охлаждать до температуры жидкого гелия, чтобы перевести в сверхпроводящее состояние, то для водорода и его соединений такого ограничения нет. Эту теорию британский физик Нейл Ашкрофт выдвинул еще в 1968 году.

Лишь спустя полвека, используя квантовую механику и получив в свое распоряжение мощные суперкомпьютеры, ученые выяснили, какие соединения перспективны в качестве сверхпроводников. Экспериментаторам осталось все это проверить.

© Иллюстрация РИА Новости . Алина Полянина

Куперовские пары обеспечивают сверхпроводимость в металлах, согласно теории БКШ

В алмазных тисках

"Мы подготавливаем камеру с алмазными наковальнями и образцом диаметром около пятидесяти и толщиной два-три микрона. После этого отправляемся на синхротрон, где образец нагревается лазером. Там мы убеждаемся с помощью дифракции рентгеновских лучей, что получена нужная фаза супергидрида, предсказанная в теории. Затем в лаборатории проверяем сопротивление или магнитную восприимчивость в зависимости от температуры и, если все прошло удачно, регистрируем сверхпроводящий переход", — кратко излагает суть исследования Виктор Стружкин.

Он и его коллеги применили совершенно новый подход — синтезировали гидрид лантана прямо в ячейке с алмазными наковальнями под давлением 180 гигапаскалей. По мере остывания образца, на 260 кельвинах, в нем зафиксировали резкое уменьшение сопротивления, что означало переход в сверхпроводящее состояние.

Под давлением в двести гигапаскалей скачок произошел при 280 кельвинах.

"Обычно переход в сверхпроводящее состояние сопровождается эффектом Мейснера, когда магнитное поле вытесняется из образца. Этот момент фиксируется различными чувствительными методами. Другой подход — измерение электрического сопротивления, которое падает до нуля в момент перехода", — поясняет физик.

Доказать нулевое сопротивление из-за различных погрешностей в эксперименте технически сложно, поэтому часто дополнительно выполняют измерения в магнитном поле, которое должно снижать Тс.

"Если такое снижение наблюдается, то с большой долей вероятности переход — сверхпроводящий. Хотя даже в этом случае сверхпроводимость может осуществляться по поверхности образца. Для строгого доказательства необходимы измерения магнитной (объемной) восприимчивости и эффекта Мейснера", — уточняет он.

Все стадии эксперимента, включая измерения, — трудоемкие и требуют много времени. Чтобы только попасть на синхротрон, необходимо участвовать в конкурсе проектов. Получить доступ к установке удается всего несколько раз в год, в соответствии с ее рабочим циклом. Один опыт может длиться от нескольких недель до полугода, в зависимости от многих обстоятельств.

© Источник: M. Somayazulu et al., Evidence for superconductivity above 260 K in lanthanum superhydride at megabar pressures, Phys. Rev. Lett. 122 Jan 2019

Камера высокого давления, где синтезировали “зимний” сверхпроводник. W — вольфрамовый тигель с изолятором из нитрида бора, P, C — алмазные наковальни. Лантан (красный) поместили на платиновые электроды (желтые), добавили боразан (зеленый). При достижении давления синтеза для нагрева использовали лазер (синий).

Камера высокого давления или криостат?

Нет сомнений, что физики получат сверхпроводник при комнатной температуре в самое ближайшее время. Научная значимость этого открытия огромна. А вот практические перспективы пока не проглядываются из-за очень высокого давления (как в недрах планет), под которым должен находиться материал. Без этого сверхпроводящее состояние исчезнет.

Может быть, упаковать гидрид в какие-то наноструктуры, например углеродные нанотрубки, чтобы поддержать высокое давление? Такую идею высказал в разговоре с РИА Новости академик Вадим Бражкин, директор Института физики высоких давлений РАН в Троицке (ИФВД).

"Не думаю, что наноструктуры или тонкие слои способны поддерживать давление в двести гигапаскалей. Известно, что в гетероструктурах удается создавать стресс (давление) до двух гигапаскалей", — аргументирует Виктор Стружкин.

Он видит другой путь — помещать сверхпроводник в камеру высокого давления. Нужные условия там можно поддерживать годами.

Окажутся ли такие изделия более дешевыми в производстве и эксплуатации, чем низко- и высокотемпературные сверхпроводники, для которых требуется криостат, покажет только практика.

© Источник: M. Somayazulu et al., Evidence for superconductivity above 260 K in lanthanum superhydride at megabar pressures, Phys. Rev. Lett. 122 Jan 2019

Открытие сверхпроводников при все более высокой температуре. Tc — в кельвинах.

Прорыв, подготовленный в СССР

Прорыв в области сверхпроводимости — заслуга наших соотечественников, выходцев из ИФВД. Виктор Стружкин проходил там практику в лаборатории Ефима Ицкевича во время учебы в МФТИ. В 1980-м пришел туда по распределению и совместно с Вячеславом Крайденовым занимался тепловыми свойствами металлов при гелиевых температурах и высоком давлении.

"Через несколько лет я сменил тематику и начал исследовать оптические свойства аморфных материалов, занялся алмазными камерами в лаборатории Анатолия Макаровича Широкова вместе с Михаилом Еремцом и другими коллегами и студентами. Там же у нас возник интерес к высокотемпературным медным сверхпроводникам — купратам", — вспоминает ученый.

В 1987 году он приступил к изучению фононов и магнонов (магнитные возбуждения) в купратах, сотрудничая с Институтом физики твердого тела в Черноголовке.

"Я продолжал заниматься купратами во время стажировки в Германии в начале 1990-х, а затем стал работать с геофизической лабораторией в Институте Карнеги в Вашингтоне по исследованию сверхпроводников, благодаря замечательному методу измерений магнитной восприимчивости в алмазных ячейках, предложенному Юрием Тимофеевым из ИФВД", — рассказывает физик.

Его всегда интересовало, как получить материалы с максимальной сверхпроводящей температурой. А потенциальные рекордсмены в этой области — гидриды.

Сейчас Виктор Стружкин работает в геофизической лаборатории в Институте Карнеги в Вашингтоне, сотрудничает с ИФВД в Троицке и Институтом Дейва Мао в Китае.