Фізики побачили сліди надпровідності при температурі - 13 градусів Цельсія

Відразу дві групи вчених виявили, що гідрид лантана LaH₁₀ стає надпровідним при рекордно високій температурі. Перша група стверджує, що температура переходу в надпровідний стан становить _c  215 кельвінів (‑ 56 ° C). Друга група заявляє про ще більшу температуру c  260 кельвінів (‑ 13 ° C). Правда в обох випадках зразки були під тиском в мільйони атмосфер. Препринти обох робіт викладені на сайті arXiv.org.

Явище надпровідності було відкрито ще в 1911 році, коли голландський фізик Хейке Камерлінг-Оннес охолодив зразок ртуті до температури близько трьох градусів Кельвіна (_ 270 за Цельсієм) і виявив, що опір металу звернувся в нуль. Згодом було встановлено, що подібними незвичайними властивостями володіє не тільки ртуть, а й інші метали, а також більш складні сполуки. Поступово вчені знаходили матеріали з усе більш і більш високою температурою переходу в надпровідний стан (цю температуру називають критичною температурою). Черговий рекорд встановили 1993 року, коли фізики синтезували купрат HgB_a2C_a2C_u3_O8 + x, критична температура якого сягала 164 кельвінів (- 109 ° C), що перевищило температуру кипіння рідкого азоту. Якби вченим вдалося отримати речовину, яка стає надпровідником вже при кімнатній температурі, це призвело б до великого прогресу в розвитку техніки - наприклад, зменшило втрати при передачі електроенергії і дозволило виготовити легкі і сильні електромагніти. На жаль, кімнатна надпровідність поки ще залишається недосяжною мрією.

У 2015 році група фізиків під керівництвом Михайла Єремця вперше за 20 років встановила новий рекорд високотемпceної надпровідності - дослідникам вдалося перевести сірководень H₃S у надпровідний стан, охолодивши його до температури близько 200 кельвінів (‑ 70 градусів Цельсія) і стиснувши до тиску близько 150 гігапаскалей (1 гігапаскаль  10 тисяч атмосфер). Через рік вчені підтвердили відкрите явище в прямому експерименті, позбувшись впливу фонових сигналів.

Це відкриття вперше підтвердило теорію Мігдала-Еліашберга (Migdal-Eliashberg theory), яка пояснює явище високотемпceної надпровідності зв'язуванням електронів у пари за рахунок обміну фононами. Вона пророкує, що при досить високій енергії фононів і досить сильного зв'язку між фононами і електронами критична температура надпровідника може бути дуже великою. Наприклад, вона стверджує, що металевий водень переходить у надпровідний стан при температурі близько 200-400 кельвінів і тиску близько 5 мільйонів атмосфер. Також очікувалося, що подібна поведінка буде спостерігатися в речовинах з великим вмістом водню (гідридах). На жаль, ці передбачення не завжди підтверджувалися на практиці - наприклад, метан CH₄ «розвалюється на частини» при тиску вище 5 мільйонів атмосфер, так і не досягнувши надпровідного стану.

До теперішнього часу вчені перевірили майже всі бінарні гідриди, які могли б стати надпровідниками відповідно до теорії Мігдала-Еліашберга, і поступово перемикаються на більш складні сполуки. Зокрема, в минулому році теоретики виявили відразу два сімейства гідридів, критична температура яких порівнянна з кімнатною - YH₁₀ (критична температура _c  320 кельвінів, тиск  2,5 мільйона атмосфер) і LaH₁₀ (_c  280 кельвінів і  2 мільйонів атмосфер). Обидва з'єднання мають клатратну структуру: атоми водню з'єднані один з одним ковалентними зв'язками і утримують атоми металу в центрі порожнин за допомогою іонних зв'язків. На жаль, щоб виготовити ці сполуки, потрібно нагрівати металеві зразки у водневій атмосфері до температури близько тисячі градусів Кельвіна, паралельно підтримуючи тиск понад двох мільйонів атмосфер. Такі умови складно створити і підтримувати, а тому синтезувати LaH1₀ вперше вдалося тільки в грудні 2017 року.

Цього разу групі вчених під керівництвом Михайла Єремця вдалося не тільки синтезувати LaH₁₀, а й довести, що з'єднання стає надпровідником при температурі близько 215 Кельвінів. Щоб виготовити сполуку, фізики поміщали лантановий зразок (чистота понад 99,99 відсотків) у водневу атмосферу з тиском близько тисячі атмосфер, а потім стискали його за допомогою алмазної ковадла до тиску близько 1,7 мільйона атмосфер. Паралельно вчені стежили за стан зразка за допомогою раманівської спектроскопії - виявилося, що при тиску > 1,46 мільйона атмосфер металевий лантан перетворюється на діелектрик LaH₃. Після цього дослідники нагріли зразок до температури трохи менше тисячі градусів Кельвіна за допомогою YAG-лазера і виміряли, як опір матеріалу змінюється при подальшому охолодженні.

В результаті вчені виявили, що опір різко падає практично до нуля при температурі близько 215 кельвінів. Таким чином, критична температура синтезованого зразка перевищила попередній рекорд високотемпáної надпровідності більш ніж на десять градусів. При падінні тиску нижче 1,5 атмосфер стрибок опору зникав, а при повторному збільшенні вище 1,6 атмосфер виникав знову, що вказувало на зміну внутрішньої структури зразка. Автори припускають, що ця зміна відповідає перетворенню зразка на гідрид LaH₁₀, проте їм не вдалося підтвердити цю гіпотезу незалежним виміром.

Паралельно з роботою групи Михаїла Єремця група на архіві препринтів була опублікована ще одна стаття, присвячена високотемпáній надпровідності гідриду лантану. Автори цієї статті стверджують, що їм вдалося побачити ознаки надпровідності при температурі понад 260 кельвінів - трохи менше - 10 градусів Цельсія! - в мікрометрових зразках La_H10, стиснених до тиску понад 200 гігапаскалей (два мільйони атмосфер). А саме, вчені зафіксували значне падіння опору зразків (більш ніж у тисячу разів) при охолодженні до зазначеної температури. Більш того, фізики стверджують, що опір окремих зразків падав вже при температурі близько 280 кельвінів, передбаченої теоретично, - тобто при температурі вище точки замерзання води. Втім, результати вчених поки ще не опубліковані в рецензованому журналі, і їх потрібно ретельно перевірити.

Детально прочитати про різні механізми надпровідності можна в нашому матеріалі «Нижче критичної температури», а про відкриття надпровідників другого роду Олексієм Абрикосовим - в матеріалі «Піонер надпровідності». Також про історію дослідження надпровідності та практичні застосування надпровідників можна послухати в оповіданнях Володимира Пудалова, завідувача відділом високотемпáної надпровідності та наноструктур ФІАН.