Российские ученые создали "невозможное" сверхпроводящее соединение

МОСКВА, 3 мар — РИА Новости. Российские ученые в сотрудничестве с китайскими коллегами создали новое сверхпроводниковое соединение, которого не должно было существовать с точки зрения классической химии, — гидрид редкоземельного металла празеодима. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.

Ученые постоянно ищут новые сверхпроводниковые соединения, у которых при охлаждении до определенной температуры полностью пропадает электрическое сопротивление. За счет этого подобные вещества способны передавать электричество без потерь, что делает их очень перспективными материалами для энергосетей.

Главными кандидатами на роль сверхпроводников являются водородные соединения — гидриды. Однако существует проблема, которую ученые все еще не смогли решить — это температура, при которой вещества становятся сверхпроводниками. Для большинства соединений она очень низкая, поэтому применяемые на практике сверхпроводники обычно охлаждают жидким гелием, при этом нужно использовать дорогое и сложное оборудование. Физики пытаются найти вещество, являющееся сверхпроводником при комнатной температуре. Один из кандидатов — металлический водород, но его создание требует огромных давлений свыше 4 миллионов атмосфер.

Российские ученые из Сколковского института науки и технологий Дмитрий Семенок и Артем Оганов вместе с китайскими коллегами из Цзилиньского университета создали несколько соединений водорода с празеодимом — металлом из группы лантаноидов — и изучили их физические свойства. Соединения отличаются друг от друга соотношением атомов двух этих элементов. Работа была поддержана грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ).

Ученые сжимали в специальной камере образцы, состоящие из металлического празеодима и водорода, между двумя конусообразными алмазами до 40 ГПа и нагревали с помощью лазера. При таком давлении вещества вступали в реакцию, образуя соединение PrH3. Однако в таких экспериментах алмазы часто становятся хрупкими из-за контакта с водородом и разрушаются. Поэтому ученые заменили чистый водород бораном аммония — соединением, содержащим большое количество водорода, который выделяется при нагревании и вступает в реакцию с празеодимом. Ранее таким же способом ученые синтезировали соединения водорода с лантаном — металлом из той же группы редкоземельных элементов..

Такой способ и в данном случае оказался эффективным. Повысив давление, исследователи получили вещество PrH9. Интересно оно тем, что с точки зрения классической химии такое соединение не может существовать, оно "запрещено", как говорят ученые. Формально электронное строение атома празеодима не позволяет ему образовывать такое большое количество связей с другими атомами. Однако существование подобных "неправильных" соединений было предсказано сложными квантовыми расчетами и теперь подтвердилось экспериментально.

Изучив физические свойства нового вещества, ученые выяснили, что гидрид празеодима переходит в состояние сверхпроводника при температуре -264 градуса Цельсия, что ниже температуры сверхпроводимости гидрида лантана LaH10, полученного авторами ранее. Ученые объясняют это положением металла в таблице Менделеева. Оказалось, что атомы празеодима не просто являются донорами электронов: в отличие от своих соседей лантана и церия, они несут небольшие магнитные моменты, которые подавляют сверхпроводимость, а потому температура ее появления падает.

"С помощью метода, ранее применявшегося для синтеза гидридов лантана, мы смогли создать новые сверхпроводящие металлические гидриды празеодима, — приводятся в пресс-релизе РНФ слова руководителя проекта по гранту фонда, доктора физико-математических наук, профессора Сколковского института науки и технологий Артема Оганова. — Мы сделали два основных вывода. Во-первых, возможно возникновение аномальных соединений, состав которых никак не связан с валентностями. Во-вторых, мы подтвердили новый принцип создания сверхпроводников. Мы узнали, что металлы из “пояса лабильности”, расположенного между II и III группами таблицы Менделеева, подходят для этого лучше всех остальных. Из лантаноидов ближе всего к ”поясу лабильности” лантан и церий".

Ученые планируют использовать полученную информацию при синтезе новых высокотемпературных сверхпроводников.