Новый сверхпроводящий материал, декагидрид тория (ThH10), с критической температурой 161 К был успешно синтезирован учеными под руководством профессора Артема Оганова и доктора Ивана Трояна. В работе приняли участие специалисты из Сколтеха, МФТИ и Института кристаллографии РАН).
Результаты исследования опубликованы в журнале Materials Today.
Сверхпроводимость — это необычное свойство квантовых материалов, характеризующееся полным исчезновением электрического сопротивления при определенных, иногда довольно экстремальных условиях. Данные материалы представляют значительный интерес для электроники, поскольку могут быть использованы в квантовых компьютерах и высокочувствительных детекторах. Однако существует серьезное препятствие: сверхпроводимость обычно проявляется при очень низких температурах или под воздействием экстремального давления.
Ранее лидером являлся купрат на основе ртути, демонстрирующий сверхпроводимость при температуре 135 К (минус 138 градусов по Цельсию). В этом году рекорд был побит декагидридом лантана (LaH10) с температурой сверхпроводимости минус 13 градусов по Цельсию, что весьма близко к комнатной температуре. Однако, для достижения этого результата требуются экстремально высокие давления, составляющие почти два миллиона атмосфер, что существенно ограничивает возможности практического применения данного материала. Поэтому приоритетной задачей было достижение сверхпроводимости при температурах и давлениях, приближенных к комнатным.
В 2018 году Артем Оганов, профессор Сколтеха и МФТИ, и его сотрудник Александр Квашнин предсказали существование нового вещества – полигидрида тория ThH10 – с критической температурой в минус 32 градуса Цельсия при давлении в один миллион атмосфер. В ходе последующего исследования ученые из Института кристаллографии РАН, Сколтеха, МФТИ и Физического института имени П. Н. Лебедева (ФИАН) смогли синтезировать это вещество и изучить его транспортные характеристики и сверхпроводимость.
В соответствии с теоретическими расчетами, было установлено, что соединение ThH10 стабильно при давлениях, превышающих 0,85 миллиона атмосфер, и обладает уникальными свойствами высокотемпературного сверхпроводника. Определение критической температуры стало возможным при давлении в 1,7 миллиона атмосфер и составило минус 112 градусов Цельсия. Этот показатель соответствует теоретическим предсказаниям для указанного давления и позволяет отнести ThH10 к числу выдающихся высокотемпературных сверхпроводников.
«Современные теоретические подходы, в частности метод USPEX, разработанный мной и моими учениками, вновь демонстрируют выдающуюся способность к предсказанию свойств веществ. Вещество ThH10, предсказанное теоретически и не соответствующее классическим представлениям в химии, обладает, по мнению теории, уникальными свойствами, что теперь подтверждено экспериментальными данными. Эксперименты, проведенные в лаборатории Ивана Трояна, отличаются высоким качеством, — отмечает соруководитель исследования, профессор Сколтеха и МФТИ Артем Оганов.
«При минус 112 градусах и давлении 1,7 миллиона атмосфер мы наблюдали сверхпроводимость, что соответствовало теоретическим прогнозам. В связи с таким хорошим соответствием между теорией и экспериментальными данными, представляется интересным выяснить, сможет ли это вещество демонстрировать сверхпроводимость при более низких давлениях и достигать температур минус 30-40 градусов», — заявил соруководитель исследования, доктор физико-математических наук Иван Троян.
«Гидрид тория является лишь одним из компонентов обширного и быстро развивающегося класса гидридных сверхпроводников. По мнению автора исследования, аспиранта Сколтеха Дмитрия Семенка, в обозримом будущем гидридная сверхпроводимость выйдет за рамки криогенных температур и позволит создавать электронные устройства.
Данная работа была осуществлена при финансовой поддержке Российского научного фонда.