В России создан «невозможный» материал для новых сверхпроводников

2033

, Текст: Владимир Бахур

Российские и китайские ученые создали химические соединения, валентность элементов которых невероятна с точки зрения классической химии. Новые материалы пригодятся для создания новых сверхпроводниковых материалов с низкими рабочими температурами.

Новые материалы для сверхпроводников

Российские ученые из Сколтеха и их китайские коллеги из Цзилиньского университета объявили о создании «невозможных» с точки зрения классической химии сверхпроводниковых материалов на основе соединений водорода и редкоземельного металла празеодима.

Описание исследования, поддержанного грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ) по поддержке лабораторий мирового уровня, опубликована в профильном журнале Science Advances. По словам ученых, полученные результаты чрезвычайно важны для дальнейшей работы по созданию сверхпроводников – веществ с нулевым электрическим сопротивлением, работающих при комнатной температуре.

Сверхпроводники, передающие электричество без потерь и при этом не нагревающиеся, являются чрезвычайно востребованным материалом для многих отраслей современной промышленности – от энергосетей до квантовых вычислений. Проблемой остается снижение рабочей температуры сверхпроводников до приемлемого уровня. Современные сверхпроводники работают при температуре около абсолютного нуля и требуют для охлаждения дорогостоящее оборудование с жидким гелием.

Редкоземельная экзотика

Идеальным кандидатом на роль сверхпроводника является металлический водород, но невероятно высокое давление, необходимое для перехода водорода из газообразного в металлическое состояние – свыше 4 млн атмосфер, существует только в ядрах звезд и технологиям человека пока не под силу.

Водородные соединения металлов (гидриды) давно считаются потенциально перспективными материалами для создания сверхпроводников с низкой рабочей температурой. В своих исследованиях российские и китайские ученые экспериментировали с гидридами празеодима – металла из группы лантаноидов.

Структура и рентгенограмма новых соединений

Для синтеза новых соединений авторы исследования использовали специальную камеру, в которой между двумя конусообразными алмазами размещались образцы металлического празеодима и водорода. Одновременное воздействие давления в 40 гигапаскалей и высокой температуры, полученной с помощью лазера, запустило реакцию взаимодействия. Так на первом этапе было получено первое соединение – PrH3.

Алмазы, применяемые в таких случаях, теряют твердость при контакте с водородом при высоком давлении и в итоге разрушаются. Для продолжения эксперимента исследователи заменили водород на богатый водородом боран аммония. Это позволило получить достаточное количество водорода для реакции с празеодимом, без разрушения алмазов.

skolkovo3.jpg

Соединение, не поддающееся законам классической химии

Дальнейшие эксперименты с повышением давления позволили получить то самое «невероятное» соединение PrH9. Аномалия этого вещества заключается в том, что его состав совершенно не связан с валентностями взаимодействующих материалов - допустимым количеством связей одного атома с другими атомами по законам классической химии. Ранее этот способ был опробован для синтеза гидрида другого лантаноида – собственно лантана, давшего название всей группе редкоземельных элементов периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.

Эксперименты со сверхпроводимостью нового материала

Однако сверхпроводимость гидридов празеодима оказалась гораздо более интересной и перспективной. Измеряя электрическое сопротивление при разных температурах и давлении, ученые установили, что гидрид празеодима становится сверхпроводником при температуре в -264°С, и это намного ниже температуры для гидрида лантана LaH10, несмотря на химическую и структурную схожесть материалов.

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Как выяснилось, ключевым оказалось положение металла в таблице Менделеева и свойства, с этим связанные. Атомы празеодима оказались не просто донорами электронов. В отличие от «соседей» лантана и церия, они обладают небольшими магнитными моментами, которые оказывают позитивное влияние на снижение температуры перехода соединения в состояние сверхпроводимости.

Дальнейшие перспективы открытия

В своей научной публикации российские и китайские ученые назвали полученный результат новым принципом создания сверхпроводников, для которых самыми подходящими материалами являются металлы между II и III группами таблицы Д.И. Менделеева.

«В дальнейших исследованиях мы будем использовать эту информацию при получении новых высокотемпературных сверхпроводников», — отметил Артем Оганов, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор физико-математических наук, профессор Cколтеха, заведующий лабораторией в Московском физико-техническом институте.


СЛЕДУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ РАЗДЕЛА "IT"