МОСКВА, 6 июн — РИА Новости, Владислав Стрекопытов. Новое поколение сверхпроводников, которые так нужны во многих высокотехнологичных отраслях, будет на основе соединений палладия, сообщают исследователи. России это выгодно — в стране большая часть мировых запасов этого редкого и дорогого металла, а также почти половина всей его добычи.
Нулевое сопротивление
В 1911-м голландский физик Камерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление твердой ртути при охлаждении в жидком гелии до 4,1 Кельвина (минус 269 градусов Цельсия) резко падает до нуля. Это был первый официально зафиксированный случай сверхпроводимости.
Вскоре выявили еще несколько сверхпроводников. Температура перехода (Тс) у всех была экстремально низкой, близкой к абсолютному нулю.
В 1986-м сотрудники научного подразделения корпорации IBM Карл Мюллер и Георг Беднорц открыли материал с Тс в 30 Кельвинов — купрат лантана и бария. Им присудили за это Нобелевскую премию по физике.
CC BY-SA 4.0 / PJRay /
График открытия сверхпроводящих соединений с 1900 по 2015 год. Голубыми ромбами отмечены купраты
Главная гонка современной физики
В промышленности приборы и провода охлаждают жидким азотом, который закипает при 77 Кельвинах. Сверхпроводники с Тс выше этого значения называют высокотемпературными (ВТСП).
В 1990-х получили целый ряд соединений из группы купратов с Тс 130-150 Кельвинов. Самый известный — BSCCO, или, как его называют физики, "биско", состоящий из слоев оксидов висмута, стронция, меди и чистого кальция.
ВТСП уже применяют в системах передачи энергии без потерь, бесконтактных высокоскоростных поездах, сверхсильных магнитах для ускорителей и термоядерных реакторах, суперпроизводительных микрочипах, сверхточных аппаратах медицинской диагностики, двигателях для межпланетных космических кораблей. Из BSCCO, например, сделаны десятки километров проводов в Большом адронном коллайдере в ЦЕРН.
За все более высокотемпературными сверхпроводниками развернулась настоящая гонка. Сверхпроводимость при комнатной температуре и обычных давлениях могла бы в корне изменить технологии, энергетику. Однако пока ни одного такого соединения не нашли.
Купраты, никелаты
Купраты — это сложные соединения на основе оксидов меди, в обычных условиях практически не проводящие электрический ток, то есть изоляторы.
Их выделили в отдельную группу "странных металлов", или сверхпроводящих полуметаллов. Считается, что для описания поведения электронов в них нужно применять квантовые принципы, некоторые исследователи даже видят в купратах особое состояние материи.
Физики Корнельского университета и Института Флэтайрон в Нью-Йорке в 2020-м с помощью квантовых вычислений построили цифровую модель "странных металлов", показав, что купраты — это нечто среднее между классическими металлами с подвижными электронами и диэлектриками, в которых электроны занимают фиксированные позиции.
В 1999-м российский ученый Владимир Анисимов с коллегами предположил, что никелаты — комплексные соединения на основе оксида никеля — также могут обладать высокотемпературной сверхпроводимостью. Действительно, впоследствии обнаружили несколько никельсодержащих ВТСП.
Одно время даже говорили о вступлении в эру никелевых сверхпроводников. Но возникли проблемы. Во-первых, получение никелатов — чрезвычайно сложный процесс. Во-вторых, эти соединения, хоть и ближе по свойствам к металлам, менее стабильны, чем купраты. Это объясняется тем, что энергетические состояния электронов никеля выше, чем меди, поэтому они активнее вступают в различные взаимодействия.
Эра палладия
В оптимальных ВТСП электроны должны взаимодействовать друг с другом сильнее, чем в купратах, но слабее, чем в никелатах. Физики из Японии и Австрии указали на соединения палладия — палладаты.
"Палладий находится на одну строчку ниже никеля в таблице Менделеева, — приводятся в пресс-релизе слова руководителя исследования Карстен Хелд из Института физики твердого тела Венского технического университета. — У палладия в среднем электроны находятся несколько дальше от ядра атома и друг от друга, поэтому электронное взаимодействие между ними слабее".
© Инфографика
По электронному взаимодействию палладаты занимают золотую середину между купратами и никелатами
У палладатов идеальная электронная конфигурация для высокотемпературной сверхпроводимости. Построив модель с такими переменными параметрами, как сила взаимодействия электронов, коэффициент заполнения и дисперсия энергии импульса, исследователи определили зону сверхпроводимости в палладатах и наметили два соединения с самой высокой Тс, около 100 Кельвинов: RbSr2PdO3 и (Ba0.5La0.5)2PdO2Cl2.
Авторы работы надеются, что их коллеги-экспериментаторы синтезируют эти материалы и проверят их свойства в лаборатории.
"Результаты вычислений многообещающие, — отмечает профессор Хелд. — Если появится новый класс сверхпроводников, это продвинет вперед все исследования и позволит лучше понять сверхпроводимость в целом".
Для России, располагающей крупнейшими в мире запасами палладия, это хорошая новость. Месторождения находятся в Норильском районе и на Кольском полуострове.
© Инфографика
Доля России в мировой добыче палладия (ситуация на 2022 год)
Главная сфера применения палладия — в каталитических нейтрализаторах двигателей внутреннего сгорания автомобилей. Этот металл используют также в электронике, медицине, химической промышленности, при изготовлении ювелирных изделий. Благодаря ВТСП на основе палладатов спрос на него может резко вырасти.
"Это сформирует фактически новую сферу потребления палладия объемом до 100 тонн в год, — отмечает промышленный эксперт, кандидат экономических наук Леонид Хазанов. — Россия способна занять 20-30% мирового рынка ВТСП".
Трудность в том, что палладий очень редкий и дорогой. Цена — две тысячи долларов за унцию (около 31 грамма) и добыча — не миллионы тонн, как у меди и никеля, а около 250 в год.
© Инфографика
Производство палладия в мире в 2022 году по странам