Гарячий надпровідник під високим тиском
15 жовтня 2020 р. - При кімнатній температурі вуглецевий гідрид сірки в комірці алмазної наковальні демонструє струмопровідність без опору.
Протягом десятиліть фізики твердого тіла шукали надпровідники з дедалі вищими температурами переходу. Керамічні оксиди міді переходять у надпровідний стан при нормальному тиску від 138 Кельвінів. З іншого боку, під високим тиском багаті воднем сполуки досягають ще вищих температур переходу. Зараз фізикам, які працюють з Ранга Діасом з Рочестерського університету, вперше вдалося створити надпровідник при прохолодній кімнатній температурі 288 Кельвінів. Однак для цього вуглецевий гідрид сірки потрібно було стиснути в комірці алмазної ковадла з 267 гігапаскалями.
Діас та його колеги зосередили свої дослідження на водні. "Оскільки, щоб отримати надпровідник для високих температур, потрібні міцні зв'язки та легкі елементи", - каже Діас. Молекули водню з їх міцними хімічними зв’язками відповідають саме цим умовам. Оскільки чистий водень важко перетворити в металевий стан навіть під високим тиском, дослідники синтезували сполуку сірки, яка була багата на водень і містила вуглець. Для цього вони спочатку стискали елементарну сірку і вуглець у збалансованому молярному співвідношенні в алмазній комірці. Потім вони дають газу водню обтікати цей зразок. Фотохімічний процес розпочався під лазерним світлом, яке потім утворювало багатий вуглецем гідрид сірки.
Для того, щоб перетворити цей матеріал у надпровідник, були необхідні надзвичайно високі тиски. Тому Діас та його колеги чинили на зразок тиск до 267 гігапаскалів - це приблизно в 2,5 мільйона разів більше атмосферного. Під цим тиском електронні властивості матеріалу різко змінилися. Гідрид сірки демонстрував непротивну струмопровідність навіть при 287,7 Кельвіна - тобто приблизно при кімнатній температурі -, яку можна було виміряти за допомогою підключених платинових електродів. В іншому тесті надпровідника дослідники шукали діамагнітний перехід у магнітній сприйнятливості. Зі збільшенням тиску, чітке падіння сприйнятливості переходило до все вищих і вищих температур. Вони продемонстрували найвищу температуру переходу при 198 Кельвінах і тиск 189 гігапаскалів. Навіть більш високий тиск не вдалося створити експериментально в цьому випробуванні на магнітне поле через малий розмір зразка від 25 до 35 мікрометрів.
Цей експеримент показує, що багаті на водень сполуки насправді складають основу для все більш гарячих металевих надпровідників. До цього робоча група, що оточувала Михайла Єремця з Інституту хімії Макса Планка в Майнці, тримала рекорд температури. В експерименті з високим тиском минулого року вони також показали, що гідрид лантану (LaH10) більше не виявляє електричного опору при критичній температурі мінус 23 градуси Цельсія та 170 гігапаскалях. Оскільки надпровідність неможливо чітко продемонструвати лише вимірюванням опору, дослідники також провели додаткові вимірювання магнітного поля. Вони помітили, що магнітне поле порушує надпровідність, зміщуючи перехід до більш низьких температур. Кілька років тому Еремець та його колеги виявили, що сірководень стає надпровідним під тиском 250 гігапаскалей при мінус 70 градусах Цельсія.
Але, незважаючи на високу температуру переходу, новий багатий вуглецем гідрид сірки також не підходить для ліній електропередач. Оскільки технічно такий високий тиск можна досягти лише за допомогою невеликих зразків у клітинах алмазної ковадла. Проте Діас оптимістично налаштований на правильний шлях із багатими воднем сполуками. Змінюючи склад гідридних сполук, він сподівається наблизити надпровідник при кімнатній температурі і в той же час при все менших тисках. Якщо це вдасться, це не тільки залучить лінії електропередач без втрат, що може врятувати велику кількість електростанцій. Такі гарячі надпровідники можуть також представляти інтерес для поїздів з магнітною левітацією, потужніших магнітно-резонансних томографів і навіть спеціальних типів квантових комп'ютерів.