Ученые из Сколтеха, Физического института им. П.Н. Лебедева РАН и их коллеги из США, Германии и Японии провели серию экспериментов с супергидридом лантана (LaH10) при наличии магнитных и немагнитных примесей. Это исследование закладывает основы для дальнейшего изучения сверхпроводящих материалов, обладающих нулевым сопротивлением при комнатной и близких к ней температурах и имеющих перспективы применения в самых разных областях – от сверхпроводящей электроники, квантовых компьютеров и поездов на магнитной подушке до аппаратов МРТ, ускорителей частиц и, возможно, ядерных реакторов и линий электропередач.
Сверхпроводники, работающие при температуре, близкой к комнатной, относятся к числу наиболее востребованных материалов для технологических приложений. Если такие соединения будут открыты, они позволят создавать, например, сверхмощные электромагниты, которые найдут применение для фундаментальных и прикладных научных исследований. Другие возможные приложения таких сверхпроводников − медицинские технологии (более совершенные МРТ-сканеры), поезда на магнитной подушке, миниатюрные моторы и генераторы, гаджеты на аккумуляторах с длительным сроком службы и, наконец, линии электропередачи большой протяженности для доставки электроэнергии практически без потерь.
Теоретически лучшим высокотемпературным сверхпроводником должен быть чистый водород при условии его сильного сжатия до состояния металла, что само по себе является крайне сложной задачей. Поэтому в качестве альтернативы рассматриваются соединения, которые помимо большого количества водорода содержат дополнительные элементы. При этом приходится жертвовать повышением температуры, чтобы снизить давление до технически достижимого уровня, обеспечивающего стабилизацию сверхпроводника.
«В настоящее время рекордсмен среди высокотемпературных сверхпроводников − супергидрид лантана LaH10, критическая температура которого составляет минус 23 градуса по Цельсию», − рассказывает руководитель исследования, профессор Сколтеха Артем Оганов. «Это очень высокий результат, но, чтобы поднять температуру еще выше, нужно было понять механизм сверхпроводимости этого материала. Теперь этот механизм нам понятен».
Существует много теоретических механизмов, которые могут обеспечить нулевое электрическое сопротивление (сверхпроводимость). Наиболее изученный из них связан с взаимодействием между электронами и колебаниями кристаллической решетки, которые называются фононами. Использование общепринятой теории для этой, электрон-фононной, сверхпроводимости позволит получить еще более совершенные сверхпроводники на основе соединений водорода с двумя тщательно подобранными элементами.
«Вся проблема в том, что до сих пор было непонятно, какие именно тройные составы позволят улучшить сверхпроводящие свойства полигидридов. В результате сохранялась достаточно высокая степень неопределенности, тормозившая прогресс в поисках сверхпроводимости при температурах, близких к комнатной. Нам удалось устранить эту неопределенность и открыть путь для дальнейших исследований», − добавляет профессор Оганов.
Его команда установила поведение сверхпроводимости в супергидриде лантана, используя хорошо известную теорему Андерсона. Согласно этой теореме, у обычных (электрон-фононных) сверхпроводников, и только у них, при введении немагнитной примеси сверхпроводящие свойства не меняются, а при введении магнитных примесей критическая температура сверхпроводимости резко снижается.
«В одной из предыдущих статей мы показали, что использование в качестве примеси немагнитного иттрия не влияет на критическую температуру сверхпроводимости LaH10. Затем мы решили добавить к этому супергидриду магнитный неодим. Оказалось, что при увеличении количества атомов неодима сверхпроводимость существенно подавлялась и полностью исчезала, когда содержание неодима достигало около 15-20 атомных процентов», − рассказывает первый автор исследования, аспирант Сколтеха Дмитрий Семенок.
По мнению ученых, теперь стало ясно, как примеси влияют на сверхпроводимость гидридов, а это позволит точнее направлять поиск новых сверхпроводников. Ученые планируют использовать полученные в этой работе выводы для предсказания, синтеза и тестирования новых тройных полигидридов с целью получения веществ с увеличенной критической температурой и/или пониженным давлением синтеза.
Исследования аномальных гидридных соединений помогли значительно продвинуться вперед в понимании механизма сверхпроводимости. В исследовании активно использовалась компьютерная программа USPEX, разработанная профессором Огановым для предсказания ряда аномальных соединений, существующих при высоких давлениях.
Исследование проводилось при участии ученых Сколтеха, Института кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН, Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф, Университета штата Флорида, Осакского университета и Всероссийского научно-исследовательского института автоматики имени Н.Л. Духова.