Ученые из Сколтеха, Цзилиньского университета и Центра передовых исследований в области науки и технологий высокого давления в Пекине (HPSTAR), а также их немецкие коллеги синтезировали и исследовали новый тип сверхпроводника с высоким содержанием водорода — супергидрид лантана типа A15 с формулой La4H23. Новый материал обладает сверхпроводимостью при температуре ниже −168 градусов и давлении в 1,2 миллиона атмосфер.
Результаты исследования опубликованы в журнале National Science Review. Полигидриды — новый класс соединений, которые синтезируют при давлении, превышающем атмосферное приблизительно в миллион раз. У полигидридов наблюдаются уникальные свойства сверхпроводимости: рекордно высокие критические температуры — до −23 градусов в случае декагидрида лантана LaH10, верхние критические магнитные поля до 300 тесла [как в (La,Y,Ce)H9+] и критические плотности тока.
Однако даже по сравнению с другими аналогичными гидридами новое соединение La4H23 ведет себя весьма необычно: в определенном диапазоне давлений его температурный коэффициент электрического сопротивления падает до отрицательных значений. Это означает, что, в отличие от обычных металлов, с понижением температуры его электрическое сопротивление не уменьшается, а растет, также как у полупроводников и многих высокотемпературных сверхпроводников, в частности купратных.
«Первоначально гидриды структурного типа A15 были экспериментально обнаружены в системе „европий — водород“. Затем их нашли в системах „барий — водород“ и „лютеций — водород“. В последней образуется интересный сверхпроводящий гидрид Lu4H23. Мы провели первопринципные расчеты, чтобы определить термодинамическую устойчивость этих структур, и пришли к выводу, что такое же соединение должно существовать и в системе „лантан — водород“. Более того, оно должно иметь еще более высокую критическую температуру сверхпроводимости», — рассказывает один из ведущих авторов статьи, аспирант программы «Вычислительные системы и анализ данных в науке и технике» Сколтеха, инженер-исследователь Григорий Шутов.
У синтезированного гидрида лантана La4H23 были обнаружены и другие необычные свойства. Как правило, в магнитных полях происходит уширение области перехода в сверхпроводящее состояние. Поскольку магнитное поле создает неоднородности в концентрации куперовских пар в объеме сверхпроводника, отдельные области образца переходят в сверхпроводящее состояние позже других, создавая эффект «растягивания» перехода по температурной шкале.
Подобный эффект можно наблюдать у таких известных материалов, как диборид магния, оксид иттрия-бария-меди, оксид висмута-стронция-кальция-меди, и многих других. У полигидридов, наоборот, почти никогда не происходит значительного уширения области сверхпроводящего перехода, что весьма удобно при проведении экспериментов. Отсутствие уширения связано с тем, что магнитные вихри, также называемые вихрями Абрикосова, жестко привязаны к структурным неоднородностям внутри полигидрида и не вносят дополнительных возмущений к уже существующим дефектам решетки. С новым супергидридом лантана дело обстоит иначе: у него неожиданно обнаружилось сужение области перехода в сверхпроводящее состояние. И пока неясно, чем это можно объяснить.
Один из ведущих авторов исследования, выпускник аспирантуры Сколтеха по направлению «Науки о материалах», сотрудник китайского Центра передовых исследований в области науки и технологий высокого давления (HPSTAR) Дмитрий Семенок отмечает: «Наблюдая за столь необычным поведением нового полигидрида, мы решили исследовать влияние сильных импульсных магнитных полей на это соединение. Исследование образца, полученного нашими коллегами из Цзилиньского университета в камере с алмазными наковальнями, привело нас к еще одному интересному открытию».
Оказалось, что в мощных импульсных магнитных полях с индукцией до 68 тесла у синтезированного супергидрида лантана наблюдается значительное отрицательное магнитосопротивление, что указывает на наличие у этого соединения аномальных свойств металла. В целом для металлов характерно положительное магнитосопротивление из-за большей длины траекторий движения электронов в магнитном поле, а отрицательное магнитосопротивление встречается очень редко.
Исключение составляют купраты и некоторые другие высокотемпературные сверхпроводники, находящиеся в так называемой псевдощелевой фазе, когда могут, например, иметь место значительные сверхпроводящие флуктуации, которые, хоть и оказывают заметное влияние на магнитотранспортные свойства материала, но недостаточны для достижения сверхпроводимости по всему объему образца.
«Мы пока еще далеки от понимания всех процессов, определяющих физические свойства супергидридов. Однако с каждым годом появляются все новые свидетельства того, что, несмотря на различия в механизмах спаривания электронов, гидриды имеют много общего с высокотемпературными сверхпроводниками, такими как купраты», — добавляет Семенок. Сочетая в себе свойства обычных и высокотемпературных сверхпроводников, гидриды выступают в качестве связующего звена между различными классами сверхпроводящих материалов. Ученые планируют продолжить изучение различных типов супергидридов в условиях сильного магнитного поля, уделяя особое внимание их «страннометаллическому» поведению.