Сверхпроводимость при комнатной температуре: реванш советской науки

23 Апреля 2019

МОСКВА, 23 апреля —, Татьяна Пичугина. Ученые добились сверхпроводящего состояния вещества при рекордно высокой температуре — минус 13 градусов Цельсия. Для этого к образцу случилось приложить давление около двух миллионов атмосфер. Подробностями уникального эксперимента с поделился один из авторов прорывной работы ядерщик Виктор Стружкин. Тухлое открытие нобелевского уровня

В 2015 году ученые из Германии, возглавляемые Михаилом Еремцом, опубликовали в Nature статью о том, что сероводород (H2S) стаёт 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 повышенная температуре.

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

Мы планируем ряд экспериментов с гидридами лантана и иттрия, чтобы приблизиться к сверхпроводимости при комнатной температуре, — комментирует Виктор Стружкин, коллега Хемли, один из авторов этого исследования. Иллюстрация Кристаллическая конструкция гидрида лантана. Каждый атом лантана связан с десятью атомами водорода Иллюстрация Кристаллическая конструкция гидрида лантана. Каждый атом лантана связан с десятью атомами водородаВодород 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 вида — купраты, бораты, пниктиды. Их называют пирогенными, хотя работают они при минус 196 градусах, в жидком азоте.

Для двух видов сверхпроводников нужен криостат, что мешает их широкому использованию в электротехнике. Единственное сплошное изделие, где они потребованным, — 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 повышенная температурах, близких к комнатной. С купратами и соединениями аппаратное обеспечения прогресса нет, так как неизвестен механизм сверхпроводимости в них, следовательно, непонятно, по каким параметрам оптимизировать гиперпроводящий переход. В гидридах, напротив, все известно — там фононный механизм, разбираемый 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 коему стягиваются электроны. В результате образуется куперовская пара — два электрона, действующие как одна частица. Они движутся по кристаллической решетке, не встречая препятствий.

Эти куперовские пары организовывают сверхпроводимость — ток по шедевру без сопротивления и, соответственно, потерь энергии.

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

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 опробовать. Иллюстрация. Алина ПолянинаКуперовские пары обеспечивают сверхпроводимость в кадмиях, согласно теории БКШ Иллюстрация. Алина ПолянинаКуперовские пары обеспечивают сверхпроводимость в металлах, согласно теории БКШВ 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 греется лазером. Там мы убеждаемся с помощью дифракции рентгеновских лучей, что получена нужная фаза супергидрида, предсказанная в теории. Затем в лаборатории испытываем 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 гиперпроводящее состояние.

Под давлением в двести гигапаскалей скачок произошел при 280 кельвинах. 18 декабря 2015, 11:12Nature: тухлые гиперпроводники сделали физика из России ученым годаРоссийско-немецкий физик Михаил Еремец был назван редакцией журнала Nature одним из десяти ученых года за его разработки в области гиперпроводников и, в частности, за разработку экзотических сероводородных гиперпроводящих материалов.

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

Доказать нулевое сопротивление из-за различных погрешностей в эксперименте технически нелегко, поэтому часто дополнительно проводят 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 исполняться по поверхности образца. Для строгого доказательства необходимы измерения магнитной (объемной) восприимчивости и эффекта Мейснера, — детализирует он.

Все стадии эксперимента, включая измерения, — трудоемкие и требуют много тянуть времени. Чтобы только попасть на синхротрон, необходимо участвовать в конкурсе проектов. Получить способ доступ к установке удается всего очень много раз в год, в соответствии с ее рабочим оборотом. Один опыт может продолжаться 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 2019Камера высоченного давления, где синтезировали “зимний” сверхпроводник. W — вольфрамовый тигель с изолятором из нитрида бора, P, C — алмазные наковальни. Лантан (красный) расположили на платиновые электроды (желтые), добавили боразан (зеленый). При достижении давления синтеза для нагрева использовали лазер (синий). Источник: M. Somayazulu et al. , Evidence for superconductivity above 260 K in lanthanum superhydride at megabar pressures, Phys. Rev. Lett. 122 Jan 2019Камера высокого давления, где синтезировали “зимний” сверхпроводник. W — вольфрамовый тигель с изолятором из нитрида бора, P, C — алмазные наковальни. Лантан (красный) поместили на платинные электроды (желтые), добавили боразан (зеленый). При достижении давления синтеза для нагрева использовали лазер (синий). Камера высоченного давления или криостат?

Нет сомнений, что физики получат сверхпроводник при комнатной температуре в самое роднейшее 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 разместиться материал. Без этого гиперпроводящее состояние исчезнет.

Может быть, упаковать гидрид в какие-то наноструктуры, например углеродные нанотрубки, чтобы поддержать высокое давление? Такую идею высказал в разговоре с академик Вадим Бражкин, директор Института ядерщики 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 — вкладывать сверхпроводник в камеру высокого давления. Нужные условия там конечно 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 2019Открытие сверхпроводников при все более высокой температуре. Tc — в кельвинах. Источник: M. Somayazulu et al. , Evidence for superconductivity above 260 K in lanthanum superhydride at megabar pressures, Phys. Rev. Lett. 122 Jan 2019Открытие сверхпроводников при все более высоченной температуре. Tc — в кельвинах. Прорыв, подготовленный в СССР

Прорыв в области сверхпроводимости — заслуга наших соотечественников, выходцев из ИФВД. Виктор Стружкин миновал 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 повышенная температурах и высоком давлении.

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

В 1987 не один месяцу он приступил к изучению квантов и магнонов (магнитные возбуждения) в купратах, контактирую с Институтом физики твердого тела в Черноголовке.

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

Его всегда интересовало, как обеспечить материалы с максимальной сверхпроводящей повышенная 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. 24 июля 2018, 08:00 Чего вы там пыжитесь? Москва узнает мировой рекорд сверхпроводимости

Редактор рубрики

Олег Кудрин

Место события на карте мира:

Сверхпроводимость при комнатной температуре: реванш советской науки

комментарии (0)

Другие интересные новости

Опубликован лонг-лист литературной премии "Лицей" имени Пушкина