Сверхпроводник — это металл, который проводит электричество без сопротивления. Последствия использования такого материала, очевидно, огромны: представьте себе возможность передавать электрическую энергию на тысячи километров практически без потерь! К сожалению, в настоящее время сверхпроводимость наблюдается только при низких температурах или очень высоком давлении — условия, которые трудно реализовать во многих приложениях. Материаловеды уже несколько лет пытаются преодолеть этот ограничивающий барьер.
Обычная сверхпроводимость возникает при температуре около -273,15 °C. Однако десятилетия исследований привели к открытию в 1980-х годах так называемых «высокотемпературных» сверхпроводников (порядка -140 °C) при атмосферном давлении; эти материалы относятся к классу купратов. В 2000-х годах химические соединения на основе железа также проявили сверхпроводящие свойства при таких температурах. Совсем недавно были установлены два температурных рекорда: в 2015 году с гидридом серы при -70°C (при 90 ГПа) и в 2018 году с декагидридом лантана при -13°C (и 188 ГПа).
Смесь редкоземельных металлов, водорода и азота
На сегодняшний день не существует сверхпроводящего материала при температуре и давлении окружающей среды. Но исследователи из Рочестерского университета утверждают, что они стали на шаг ближе к этой конечной цели: в журнале они сообщают о создании легированного азотом гидрида лютеция, который демонстрирует сверхпроводимость при температуре 294 К (20,8 °C) и давлении 10 килобар (или 1 ГПа). «С появлением этого материала наступил рассвет сверхпроводимости в окружающей среде и прикладных технологий«, — сказал в своем заявлении Ранга Диас, доцент машиностроения и физики, возглавлявший исследование.
Правда, давление в 1 ГПа все же относительно высокое (учитывая, что среднее давление на уровне моря составляет 1013,25 гПа, или в 10 000 раз меньше!). Однако существуют широко используемые методы, особенно при производстве микрочипов, для скрепления материалов еще более высокими внутренними химическими давлениями.
Гидриды, созданные путем соединения редкоземельных металлов с водородом с последующим добавлением азота или углерода, уже несколько лет являются основой работы многих материаловедов. Эти гидриды образуют каркасные структуры, в которых ионы редкоземельных металлов действуют как доноры заряда, обеспечивая достаточное количество электронов, чтобы способствовать диссоциации молекул диводорода; азот и углерод помогают стабилизировать материал.
В новом исследовании использовался материал — гидрид лютеция, легированный азотом (NDLH). Лютеций был хорошим кандидатом: его электронная конфигурация такова, что способствует электрон-фононной связи, необходимой для сверхпроводимости при комнатных температурах, — объясняет Диас. Оставалось найти способ снизить необходимое давление.
Для этого команда обратилась к азоту. Как и углерод, он имеет жесткую атомную структуру, которая помогает стабилизировать сеть внутри материала. Эта структура обеспечивает стабильность, необходимую для возникновения сверхпроводимости при низком давлении.
Удивительное изменение цвета
Поэтому исследователи создали газовую смесь, состоящую из 99% водорода и 1% азота, которую они поместили в реакционную камеру с чистым образцом лютеция; компоненты оставляли реагировать на два-три дня при 200°С. Полученное соединение затем прессовали в ячейке с алмазными наковальнями. Именно тогда исследователи стали свидетелями поразительной визуальной трансформации: первоначально синий материал приобрел розовый оттенок в начале сверхпроводимости, а затем стал ярко-красным, когда достиг несверхпроводящего металлического состояния.
Для того чтобы вызвать сверхпроводимость, потребовалось давление в 1 ГПа — почти на два порядка ниже, чем давление, использовавшееся в предыдущих экспериментах.
На самом деле, эта же команда уже объявила в 2020 году о создании двух сверхпроводящих материалов — сероуглеродного гидрида и супергидрида иттрия — при температуре около 15 °C и 269 ГПа, а затем -11 °C и 182 ГПа соответственно. Однако исследование, опубликованное в журнале Nature, подверглось резкой критике, и редакторы журнала в итоге отозвали статью. Исследователей обвинили в фальсификации данных. Чтобы избежать дальнейшей критики, они утверждают, что удвоили усилия по документированию своих исследований.
Если ученых так интересуют сверхпроводящие материалы, то это потому, что они обладают двумя важными свойствами: нулевым электрическим сопротивлением и вытеснением любого магнитного поля изнутри материала (явление, известное как эффект Мейснера). Эти два свойства предполагают огромный технологический прогресс: передача электричества без потерь, развитие поездов на магнитной подушке или даже улучшение магнитного удержания плазмы в токамаках.
Работа Диаса и его команды еще на один шаг приближает нас к этим достижениям. Диас убежден, что NDLH может значительно ускорить разработку токамаков для ядерного синтеза. Поскольку NDLH может создавать «огромное магнитное поле» при комнатной температуре, его можно использовать для удержания плазмы внутри реакционной камеры.
Он также говорит о возможности обучения алгоритмов машинного обучения на основе данных, накопленных в ходе экспериментов со сверхпроводниками в его лаборатории, которые могли бы помочь определить другие потенциальные сверхпроводящие материалы путем тестирования различных комбинаций редких земель, водорода, азота и углерода. Цель состоит в том, чтобы создать различные сверхпроводники. «В повседневной жизни мы используем множество различных металлов для различных целей, поэтому нам понадобятся различные типы сверхпроводящих материалов«, — заключает он.