Сверхпроводимость при комнатной температуре? Да, но…
В МИРЕ / #8_2020
Текст: Татьяна ДАНИЛОВА / Фото: Labsites.rochester.edu/dias
Новое металлическое соединение водорода, углерода и серы демонстрирует сверхпроводимость при температуре +15 °C. Правда, для этого пришлось создать сверхвысокое давление и поместить испытываемое вещество между парой алмазных наковален.
Группа физиков из Нью-Йорка обнаружила материал, который идеально проводит электрический ток при комнатной температуре, — это долгожданная научная веха. Некое соединение водорода, углерода и серы работает как сверхпроводник при температуре около +15 °C, сообщает лаконичная заметка в Nature от 14 октября 2020 года. Тем самым побит рекорд высокотемпературной сверхпроводимости, установленный в 2018 году, когда соединение водорода и лантана под высоким давлением приобрело свойства сверхпроводника при -13 °C.
Сверхпроводимость, достигнутая при температуре неотапливаемого дома в осенние дожди, — действительно этапная научная веха. Но… в сенсационных научно-популярных публикациях такого рода всегда таится решающее «но», как в банковском договоре, где самые важные вещи напечатаны мелким шрифтом. Вещество, созданное командой под руководством Ранги Диаса из нью-йоркского университета Рочестер, никогда не найдет применения в линиях электропередач, передающих ток без потерь, в высокоскоростных поездах без трения или в других революционных технологиях. Нестабильный квантовый эффект, лежащий в основе сверхпроводимости, не получится поддерживать в реальной окружающей среде. Это связано с тем, что вещество становится сверхпроводящим при комнатной температуре только тогда, когда его помещают между парой алмазов и подвергают давлению около 300 гигапаскалей, то есть 3 млн атмосфер, 75% давления в земном ядре.
Сегодня перед материаловедами стоит задача: найти сверхпроводник, работающий не только при нормальных температурах, но и при нормальном давлении. Некоторые особенности нового соединения вселяют надежду на то, что эта задача теоретически решаема. Прорыв действительно состоялся: сверхпроводимость впервые обнаружилась в соединении трех элементов, а не двух — материал состоит из углерода, серы и водорода. Добавление третьего элемента значительно расширяет комбинации, которые можно будет задействовать в будущих экспериментах по поиску новых материалов, обладающих сверхпроводимостью при высоких, но не экстремальных давлениях. Такие материалы найдут практическое применение. Сделав правильный выбор третьего или даже четвертого элемента сверхпроводящего вещества, удастся снизить его рабочее давление.
Сверхпроводники имеют ряд технологических применений, от приборов медицинской визуализации для магнитно-резонансной томографии (МРТ) до вышек мобильной связи. Исследования материалов этого класса начались в связи с разработкой высокопроизводительных генераторов для ветротурбин. Однако польза от сверхпроводников ограниченна: работа с ними при атмосферном давлении требует низких и сверхнизких температур, то есть громоздкой криогенной техники. Даже самые сложные сверхпроводники — керамические материалы на основе оксида меди — работают только при температуре ниже -140 °C, или -133 К. Сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, могут приобрести революционное значение — для начала, скажем, в компьютерной электронике, которая работает быстрее без перегрева от электрического сопротивления.
Сверхпроводимость, достигнутая при температуре неотапливаемого дома в осенние дожди, — действительно этапная научная веха. Но… в сенсационных научно-популярных публикациях такого рода всегда таится решающее «но», как в банковском договоре, где самые важные вещи напечатаны мелким шрифтом. Вещество, созданное командой под руководством Ранги Диаса из нью-йоркского университета Рочестер, никогда не найдет применения в линиях электропередач, передающих ток без потерь, в высокоскоростных поездах без трения или в других революционных технологиях. Нестабильный квантовый эффект, лежащий в основе сверхпроводимости, не получится поддерживать в реальной окружающей среде. Это связано с тем, что вещество становится сверхпроводящим при комнатной температуре только тогда, когда его помещают между парой алмазов и подвергают давлению около 300 гигапаскалей, то есть 3 млн атмосфер, 75% давления в земном ядре.
Сегодня перед материаловедами стоит задача: найти сверхпроводник, работающий не только при нормальных температурах, но и при нормальном давлении. Некоторые особенности нового соединения вселяют надежду на то, что эта задача теоретически решаема. Прорыв действительно состоялся: сверхпроводимость впервые обнаружилась в соединении трех элементов, а не двух — материал состоит из углерода, серы и водорода. Добавление третьего элемента значительно расширяет комбинации, которые можно будет задействовать в будущих экспериментах по поиску новых материалов, обладающих сверхпроводимостью при высоких, но не экстремальных давлениях. Такие материалы найдут практическое применение. Сделав правильный выбор третьего или даже четвертого элемента сверхпроводящего вещества, удастся снизить его рабочее давление.
Сверхпроводники имеют ряд технологических применений, от приборов медицинской визуализации для магнитно-резонансной томографии (МРТ) до вышек мобильной связи. Исследования материалов этого класса начались в связи с разработкой высокопроизводительных генераторов для ветротурбин. Однако польза от сверхпроводников ограниченна: работа с ними при атмосферном давлении требует низких и сверхнизких температур, то есть громоздкой криогенной техники. Даже самые сложные сверхпроводники — керамические материалы на основе оксида меди — работают только при температуре ниже -140 °C, или -133 К. Сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, могут приобрести революционное значение — для начала, скажем, в компьютерной электронике, которая работает быстрее без перегрева от электрического сопротивления.
«Парные» отношения
Электрическое сопротивление возникает в обычных проводах, когда свободно движущиеся электроны сталкиваются с атомами металла. Но в 1911 году исследователи обнаружили, что при низких температурах электроны могут вызывать колебания в атомной решетке металла. Оказалось, что эти колебания, в свою очередь, объединяют электроны с противоположными импульсами и спинами в так называемые куперовские пары, по имени физика Леона Купера. Это очень необычные объекты — что-то вроде молекулы из двух электронов. На самом деле два электрона не могут соединиться: электрическая сила отталкивания одноименных зарядов разносит их в разные стороны. В куперовскую пару электроны «склеивает» фонон — квант энергии тепловых колебаний атомов в твердом теле. Эти пары электронов взаимодействуют с другими парами, образуя конденсат. Все куперовские пары в конденсированном состоянии движутся как единое целое; для того чтобы выбить из пары один электрон, нужно затратить энергию, равную энергии связи пары. Такой конденсат беспрепятственно проходит сквозь кристаллическую решетку металла. Так объясняется явление сверхпроводимости на микроуровне.
Однако при повышении температуры сверхпроводника частицы хаотично колеблются, разрушая тонкий рисунок «танца» куперовских пар и даже сами пары. Исследователи потратили десятилетия на поиск сверхпроводника, образующего куперовские пары, связанные настолько тесно, чтобы сохраниться при обычной температуре. В 1968 году Нил Эшкрофт, физик твердого тела из Корнеллского университета (США), сделал ставку на решетку из атомов водорода. Небольшой размер этих атомов позволяет электронам приближаться к узлам решетки, усиливая взаимодействие с колебаниями. Легкость водорода также позволяет ускорить произведенные импульсы, еще больше укрепляя фононы, связывающие пары Купера.
Чтобы сжать водород до состояния металла, требуется очень высокое давление. Однако работа Н. Эшкрофта позволила надеяться, что некий гидрид — соединение водорода и какого-то второго элемента — может обеспечить сверхпроводимость металлического водорода при технически достижимых давлениях.
Прогресс в этом направлении начался в 2000-х годах, когда суперкомпьютерное моделирование позволило теоретикам предсказывать свойства различных гидридов, а широкое использование компактных алмазных наковален дало экспериментаторам возможность отбирать наиболее многообещающие вещества для проверки их способности к сверхпроводимости.
Тут-то гидриды себя и показали как новый класс сверхпроводников. В 2015 году группа ученых из Германии доказала, что металлическая форма сероводорода обладает сверхпроводимостью при температуре -70 °C и при давлении 152 гигапаскаля (1,5 млн атмосфер). Четыре года спустя та же лаборатория использовала гидрид лантана, чтобы достичь -24 °C при 182 гигапаскалях (1,8 млн атмосфер), а другая группа нашла доказательства сверхпроводимости того же соединения при -13,3 °C.
Электрическое сопротивление возникает в обычных проводах, когда свободно движущиеся электроны сталкиваются с атомами металла. Но в 1911 году исследователи обнаружили, что при низких температурах электроны могут вызывать колебания в атомной решетке металла. Оказалось, что эти колебания, в свою очередь, объединяют электроны с противоположными импульсами и спинами в так называемые куперовские пары, по имени физика Леона Купера. Это очень необычные объекты — что-то вроде молекулы из двух электронов. На самом деле два электрона не могут соединиться: электрическая сила отталкивания одноименных зарядов разносит их в разные стороны. В куперовскую пару электроны «склеивает» фонон — квант энергии тепловых колебаний атомов в твердом теле. Эти пары электронов взаимодействуют с другими парами, образуя конденсат. Все куперовские пары в конденсированном состоянии движутся как единое целое; для того чтобы выбить из пары один электрон, нужно затратить энергию, равную энергии связи пары. Такой конденсат беспрепятственно проходит сквозь кристаллическую решетку металла. Так объясняется явление сверхпроводимости на микроуровне.
Однако при повышении температуры сверхпроводника частицы хаотично колеблются, разрушая тонкий рисунок «танца» куперовских пар и даже сами пары. Исследователи потратили десятилетия на поиск сверхпроводника, образующего куперовские пары, связанные настолько тесно, чтобы сохраниться при обычной температуре. В 1968 году Нил Эшкрофт, физик твердого тела из Корнеллского университета (США), сделал ставку на решетку из атомов водорода. Небольшой размер этих атомов позволяет электронам приближаться к узлам решетки, усиливая взаимодействие с колебаниями. Легкость водорода также позволяет ускорить произведенные импульсы, еще больше укрепляя фононы, связывающие пары Купера.
Чтобы сжать водород до состояния металла, требуется очень высокое давление. Однако работа Н. Эшкрофта позволила надеяться, что некий гидрид — соединение водорода и какого-то второго элемента — может обеспечить сверхпроводимость металлического водорода при технически достижимых давлениях.
Прогресс в этом направлении начался в 2000-х годах, когда суперкомпьютерное моделирование позволило теоретикам предсказывать свойства различных гидридов, а широкое использование компактных алмазных наковален дало экспериментаторам возможность отбирать наиболее многообещающие вещества для проверки их способности к сверхпроводимости.
Тут-то гидриды себя и показали как новый класс сверхпроводников. В 2015 году группа ученых из Германии доказала, что металлическая форма сероводорода обладает сверхпроводимостью при температуре -70 °C и при давлении 152 гигапаскаля (1,5 млн атмосфер). Четыре года спустя та же лаборатория использовала гидрид лантана, чтобы достичь -24 °C при 182 гигапаскалях (1,8 млн атмосфер), а другая группа нашла доказательства сверхпроводимости того же соединения при -13,3 °C.
Ученые Рочестерского университета побили эти рекорды. Руководствуясь интуицией и приблизительными расчетами, команда проверила ряд водородных соединений в поисках идеального соотношения водорода с другими веществами. Если водорода мало, соединение не станет таким же сверхпроводящим, как металлический водород. Если водорода слишком много, соединение приобретает свойства металла (и сверхпроводимость) только при давлении, которое разрушает алмазную наковальню. В ходе исследования команда раздавила десятки пар алмазов за $ 3 тыс. каждая. По словам Р. Диаса, «самая большая проблема нашего исследования — расходы на алмазы».
Искомое соединение физики Рочестера нашли, повторив путь к решению 2015 года: исследователи добавили к сероводороду метан, то есть соединение углерода и водорода, и поместили эту смесь в микроскопическую нишу между двух алмазов-наковален. Затем они с помощью лазерного излучения инициировали в образце химические реакции и пронаблюдали, как формируется кристалл искомого вещества. Таким образом получили вещество, содержащее то количество водорода, которое необходимо для поддержания единства куперовских пар при очень высоких температурах. Когда исследователи снизили температуру образца, сопротивление току, проходившему через материал, упало до нуля, то есть полученное вещество стало сверхпроводящим. Затем давление увеличили — и обнаружили, что переход в состояние сверхпроводимости происходит при все более высоких температурах. Лучшим результатом стала температура перехода 287,7 К (14,4 °C) при 267 гигапаскалях, что в 2,6 млн раз больше атмосферного давления на уровне моря.
Однако ученым не удалось распознать всех свойств приготовленного ими «зелья». Атомы водорода слишком малы и не обнаруживаются традиционными методами исследования структуры кристаллической решетки, поэтому группа не знает ни расположения атомов, ни даже точной химической формулы полученного вещества.
Ева Зурек, химик из университета в Баффало, принадлежит к числу теоретиков, мало связанных с лабораторией Р. Диаса. Ранее в этом году они спрогнозировали условия, при которых некий металл, полученный под давлением между алмазными наковальнями, должен стать сверхпроводником. Прогноз не сбылся: вещество повело себя иначе. Е. Зурек подозревает, что высокое давление трансформировало вещество, полученное Р. Диасом, в неизвестную форму, сверхпроводимость которой особенно высока. Как только группа Р. Диаса выяснит, с чем она, собственно, имеет дело (а это произойдет в ближайшее время), теоретики построят модели, исследующие особенности, придающие этой смеси водорода, углерода и серы сверхпроводящую способность. Все это делается для того, чтобы, изменив «рецепт», на выходе получать соединения со свойствами, близкими заданным или желаемым.
На данном этапе физики доказали, что поиск сверхпроводников из числа двухэлементных соединений водорода — тупиковый путь. Новое вещество из трех элементов знаменует существенный прогресс продвижения в мир сложных химерных материалов.
Искомое соединение физики Рочестера нашли, повторив путь к решению 2015 года: исследователи добавили к сероводороду метан, то есть соединение углерода и водорода, и поместили эту смесь в микроскопическую нишу между двух алмазов-наковален. Затем они с помощью лазерного излучения инициировали в образце химические реакции и пронаблюдали, как формируется кристалл искомого вещества. Таким образом получили вещество, содержащее то количество водорода, которое необходимо для поддержания единства куперовских пар при очень высоких температурах. Когда исследователи снизили температуру образца, сопротивление току, проходившему через материал, упало до нуля, то есть полученное вещество стало сверхпроводящим. Затем давление увеличили — и обнаружили, что переход в состояние сверхпроводимости происходит при все более высоких температурах. Лучшим результатом стала температура перехода 287,7 К (14,4 °C) при 267 гигапаскалях, что в 2,6 млн раз больше атмосферного давления на уровне моря.
Однако ученым не удалось распознать всех свойств приготовленного ими «зелья». Атомы водорода слишком малы и не обнаруживаются традиционными методами исследования структуры кристаллической решетки, поэтому группа не знает ни расположения атомов, ни даже точной химической формулы полученного вещества.
Ева Зурек, химик из университета в Баффало, принадлежит к числу теоретиков, мало связанных с лабораторией Р. Диаса. Ранее в этом году они спрогнозировали условия, при которых некий металл, полученный под давлением между алмазными наковальнями, должен стать сверхпроводником. Прогноз не сбылся: вещество повело себя иначе. Е. Зурек подозревает, что высокое давление трансформировало вещество, полученное Р. Диасом, в неизвестную форму, сверхпроводимость которой особенно высока. Как только группа Р. Диаса выяснит, с чем она, собственно, имеет дело (а это произойдет в ближайшее время), теоретики построят модели, исследующие особенности, придающие этой смеси водорода, углерода и серы сверхпроводящую способность. Все это делается для того, чтобы, изменив «рецепт», на выходе получать соединения со свойствами, близкими заданным или желаемым.
На данном этапе физики доказали, что поиск сверхпроводников из числа двухэлементных соединений водорода — тупиковый путь. Новое вещество из трех элементов знаменует существенный прогресс продвижения в мир сложных химерных материалов.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #8_2020