8 октября 2020

В ОИЯИ прошёл семинар по радиоактивным сверхпроводящим гидридам

ОИЯИ ОИЯИ

В конце сентября в Лаборатории нейтронной физики (ЛНФ) ОИЯИ прошел общелабораторный семинар«Высокотемпературные сверхпроводящие гидриды: современное состояние». С докладами выступили Артем Оганов (Сколковский институт науки и технологий, МФТИ, Северо-Западный политехнический университет (КНР)) и Дмитрий Семенок (Сколковский институт науки и технологий).

Семинар, проходивший и в режиме онлайн, собрал много слушателей в конференц-зале лаборатории. Как заметил директор ЛНФ В. Н. Швецов, это первый полноценный семинар с подавляющим присутствием слушателей в зале, а не перед экранами компьютеров. Он напомнил собравшимся, что создание госпрограммы по исследованию высокотемпературной сверхпроводимости было инициировано В. Л. Аксеновым, результаты этой работы заметны и сейчас.

Артем Оганов, кристаллограф по образованию, разработал вместе со своей командой компьютерную программу USPEX, позволяющую предсказывать и получать стабильные химические соединения с заданными свойствами, в том числе «запрещенные» традиционной химией. Сейчас этой программой пользуются тысячи исследователей во всем мире. Вместе со своей группой А. Р. Оганов занимается исследованием высокотемпературных сверхпроводников.

— Благодаря прорыву в теории, которая позволяет предсказывать и идентифицировать новые вещества, — начал рассказ А. Р. Оганов, — мы оказались в полушаге от комнатной сверхпроводимости. Мы занимаемся предсказанием новых материалов с помощью искусственного интеллекта, использующего машинное обучение и большие данные. Раньше два возможных пути предсказания новых веществ — машинное обучение и глобальная оптимизация — расходились в разные стороны. Первый способ не позволял предсказывать принципиально новые соединения, а второй был дорогостоящим методом. Есть мнение, что первопроходцем создания баз данных в химии был Д. И. Менделеев, я горячо поддерживаю это мнение. Он был смелым человеком, ему хватило смелости сказать, что пустые места в Периодической таблице — не нарушение корреляции, а неоткрытые элементы. Я сегодня общался с Ю. Ц. Оганесяном, продолжателем дела Менделеева. Сейчас стоит вопрос: где же заканчивается Периодическая таблица?

Наш метод определения новых соединений основывается на нейронных сетях, позволяющих предсказывать такие свойства, для которых нет теории вообще. Машинное обучение позволяет без использования суперкомпьютеров и не теряя точности предсказывать стабильные структуры и их состав. Известные сегодня 118 химических элементов могут образовывать 7021 бинарную систему, а тройных систем может быть уже свыше миллиона. Просто всех их перебрать невозможно, а эволюционный алгоритм, используемый в нашей программе, с этим справляется: он «понимает», какие составы более перспективны, и в каждом следующем шаге поиска фокусируется на более перспективных соединениях.

Рассказал докладчик и о новой химии, которую они открывают. В условиях давления около 10 млн атмосфер периодичность нарушается, а при давлении 1 млн атмосфер периодичность еще работает, но уже возникают неожиданные соединения и неожиданные свойства, в том числе сверхпроводимость. Например, кислород при давлении 10 ГПа становится сверхпроводником, а натрий — прозрачным неметаллом. Докладчик привел примеры новых соединений с неожиданными, интересными свойствами, рассказал, как с помощью своей программы они проверяли чужие неочевидные результаты. Вердикты мы услышали очень схожие: теория неправильная, но очень интересная; работа неправильная, но очень интересная и так далее.

«Кто воровал карбид кальция на стройке и бросал его в лужу, поднимите руку!» — обратился профессор РАН и действительный член Королевского химического общества к аудитории, и несколько рук поднялось. Артем упомянул исследования новых взрывчатых веществ, но военная тематика его мало привлекает. А затем мы познакомились с новейшей историей высокотемпературных сверхпроводников. В 2014 году ученые из Китая при помощи программы USPEX предсказали новое соединение — H3S с рекордно высокой температурой сверхпроводимости 203 К, был преодолен рекорд купратов в 135 К. Триумф союза теоретиков и экспериментаторов способствовал появлению сотен работ по этой тематике.

А. Р. Оганов представил исследования своего аспиранта и коллеги Дмитрия Семенка, который предложил визуализировать результаты по высокотемпературной сверхпроводимости с помощью таблицы Менделеева. «Дмитрий получил прорывные результаты в области высокотемпературной сверхпроводимости, его работы вывели нас в самый авангард гонки за комнатную сверхпроводимость». Оказалось, что гидриды металлов, полученные при давлениях 100-200 ГПа, имеют сверхпроводимость при рекордных температурах, а официальный рекорд (260 К — это почти комнатная температура) у гидрида лантана LaH10 под давлением 190 ГПа. «Где надежда? В усложнении химического состава. Почему? Не знаю, но температура сверхпроводимости растет с ростом химической сложности». А еще группа Оганова научилась предсказывать стабильные химические соединения не только в бинарном, но и в молекулярном состоянии. «Мы поняли принцип, по которому стабильные молекулы можно отличить от нестабильных.

Палитра стабильных веществ гораздо шире известной. Когда мне было четыре года, я мечтал работать у Флерова и Оганесяна, синтезировать новые элементы», — поделился Артем Ромаевич и продемонстрировал хребет стабильности оксида кремния SinOm, очень похожий на известный остров стабильности изотопов.

Выступление А. Р. Оганова вызвало многочисленные заинтересованные вопросы зала, которые ведущему пришлось ограничить, поскольку еще был запланирован доклад Дмитрия Семенка. Он рассказал о текущем состоянии в области сверхпроводящих гидридов металлов, об особенностях их синтеза на алмазных наковальнях — самой дорогой части эксперимента. А выяснить структуру синтезированных гидридов можно только с помощью синхротронного излучения, и есть надежда на источник в Курчатовском институте, чтобы не ездить в Гренобль, Гамбург или Китай. Синтезированы различные гидриды урана, многие из которых стабильны при 1 атмосфере, их можно исследовать нейтронной дифракцией. Распределение сверхпроводящих свойств гидридов Дмитрий построил при помощи нейронных сетей на основе таблицы Менделеева. Ну а в поиске комнатных сверхпроводников самый перспективный — актиний, один из очень интересных, по мнению докладчика, материалов для изучения супергидридов.

Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) был создан на основе Соглашения, подписанного 26 марта 1956 г. в Москве представителями правительств одиннадцати стран-учредителей, с целью объединения их научного и материального потенциала для изучения фундаментальных свойств материи. Институт расположен в Дубне, в 120 км от Москвы, в Российской Федерации. Сегодня Объединенный институт ядерных исследований является всемирно известным научным центром, в котором фундаментальные исследования (теоретические и экспериментальные) успешно интегрированы с разработкой и применением новейших технологий и университетским образованием. Членами ОИЯИ являются 18 государств.