Супергидриды, содержащие значительное количество водорода, демонстрируют сверхпроводимость при высоком давлении и температурах, приближающихся к комнатной. Оптимизация состава супергидрида серы и углерода позволила существенно уменьшить давление, необходимое для сверхпроводящего перехода.
Сверхпроводимость — состояние, характеризующееся полным исчезновением электрического сопротивления материала и прекращением выделения тепла при прохождении электрического тока. В случае его широкого внедрения, нас ожидает технологический прорыв. Больше не потребуется нагрев обмоток трансформаторов, и не будет теряться электроэнергия в линиях электропередач. Зарядные устройства и электродвигатели значительно уменьшатся в размере, магнитная левитация станет доступной в каждом доме, и появятся другие инновации, которые пока сложно представить — все это может стать возможным.
Обычно сверхпроводимость проявляется лишь при крайне низких температурах. Голландский физик Камерлинг-Оннес открыл ее в 1908 году, обнаружив изменение электрического сопротивления ртути, помещенной в жидкий гелий при температуре минус 270,15 градуса Цельсия, что всего на три градуса выше абсолютного нуля. Для того чтобы сделать сверхпроводимость широко используемой, необходимо повысить температуру перехода в сотни раз, до комнатной.
Теория возникновения сверхпроводимости была разработана лишь в середине XX века, и некоторые ее разновидности остаются до сих пор не до конца понятными. Однако вскоре после открытия сверхпроводимости в ртути, ее проявили и в других материалах, причем при температурах, значительно превышающих температуру ртути. Неудивительно, что ученые стремились найти способ достижения высокотемпературной сверхпроводимости, подобно средневековым алхимикам, искавшим рецепт философского камня, иногда прибегая к простому перебору вариантов.
В 1980-х годах произошел значительный прогресс: ученые открыли высокотемпературную сверхпроводимость в материалах из сложной оксидной керамики, основанной на купратах (окислах меди). Эти материалы сохраняют сверхпроводимость при температуре жидкого азота, которая составляет 77 кельвинов (минус 196 градусов Цельсия). Купраты оказались настолько хрупкими и сложными в приготовлении, что и сейчас сверхпроводящие изделия из них делают немногие. Жидком гелии более устойчивых материалах и жидком гелии.
Обнаружение купратов стимулировало дальнейшие исследования, хотя одно из основных направлений поиска оставалось ясным. Согласно классической теории сверхпроводимости, в сверхпроводниках электроны формируют пары благодаря взаимодействию с фононами — квантами колебаний кристаллической решетки. Более легкие атомы решетки облегчают перемещение электрона, поскольку им легче сместить положительно заряженные атомы и таким образом объединить электрон с другим.
На этот процесс оказывает влияние целый ряд других факторов, однако, согласно расчетам, у металлического водорода, благодаря тому, что водород является самым легким элементом, температура перехода в сверхпроводящее состояние могла превысить комнатную. Проблема заключается в том, что для превращения водорода в металл требуется давление в четыре миллиона атмосфер — это превышает давление в центре Земли. Более того, даже при таких условиях металлизация, по всей видимости, не завершается полностью и исчезает при уменьшении давления.
В последнее время исследователи обратили внимание на материалы с высоким содержанием водорода, способные демонстрировать свойства, близкие к металлическому водороду. Проведенные исследования показали, что под воздействием высокого давления лантан, редкоземельный элемент, способен связываться с гораздо большим количеством водорода, чем обычно, формируя соединение LaH 10.
В 2019 году у него нашли сверхпроводимость при 250 кельвинах (минус 23 градуса) и двух миллионах атмосфер. Всего через год был достигнут и рубеж комнатной температуры: смешанный супергидрид серы и углерода с приблизительным составом CSH 8 оказался комнатным сверхпроводником при давлении 2,7 миллиона атмосфер.
На практике сверхпроводники, стабильные только при сверхвысоких давлениях, неприменимы, и следующей задачей стало снижение давления перехода. Здесь у ученых впереди непаханое поле: судя по всему, супергидриды может образовывать значительная часть таблицы Менделеева, исследования начались недавно, а достижения в этой области случаются часто.
Сотрудники Университета Невады в Лас-Вегасе (США) получили образец комнатной сверхпроводящей технологии CSH 8, не остановились на достигнутом. В новом исследовании, возглавленном Александром Смитом, они решили разобраться, как соотношение углерода и серы влияет на сверхпроводящие свойства смешанных супергидридов в системе C – S – H. Варьируя содержание элементов, они нашли состав с повышенной долей углерода в составе, давление перехода для которого оказалось почти втрое ниже — один миллион атмосфер. Температура сверхпроводимости при этом составила около 191 кельвина (минус 82 градуса Цельсия).
Несмотря на то, что достигнутый результат пока не сравнится с поиском идеального сверхпроводника – материала, не обладающего электрическим сопротивлением при комнатной температуре и атмосферном давлении, он указывает на возможность дальнейшего прогресса.
Супергидриды можно в определенной степени интерпретировать как сплавы металлического водорода, демонстрирующие свойства, отличные от таковых у чистого водорода. Исследователи пока изучили лишь небольшую часть периодической таблицы элементов в поисках потенциальных «добавок». Нельзя исключать, что один из этих «сплавов» может обладать требуемыми характеристиками или, как минимум, сохранит стабильность при давлении в сотни тысяч атмосфер, которое можно достичь внутри углеродных нанотрубок. Тогда, если куперовские пары электронов еще и смогут беспрепятственно туннелировать из одной трубки в другую через их стенки атомной толщины, из упакованного в трубки супергидридного сплава может получиться «свить» сверхпроводящий провод.