Новый рекорд: обнаружена сверхпроводимость при -23 °C

Иллюстрация строения гидрида лантана, показавшего рекордную температуру сверхпроводимости.

Иллюстрация Drozdov et al.

Кристалл под давлением облучали рентгеновскими фотонами, чтобы выяснить его структуру.

Иллюстрация Drozdov et al.

Физики поставили новый рекорд, создав материал, который достигает сверхпроводящего состояния при температуре -23 °C. Правда, пока такой эффект наблюдается лишь под огромным давлением.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature физиками из Германии, США и Польши.

Вещества с нулевым электрическим сопротивлением – мечта инженера. Они позволили бы передавать ток на любые расстояния без потерь. Кроме того, магнитные поля, поднимающие в воздух целые поезда, стали бы обыденной реальностью (а это означает, что энергия топлива не будет тратиться на трение колёс о полотно).

Состояние, при котором электрическое сопротивление материала математически точно равно нулю, называется сверхпроводимостью. В это состояние можно привести практически любой металл, например, железо. Но для этого его нужно охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю (-273 °C). Залить линии электропередач чрезвычайно дорогим жидким гелием – не слишком разумная попытка сэкономить.

Поэтому многие десятилетия не прекращается поиск веществ, имеющих как можно более высокую критическую температуру (так называется температура, при которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние).

На сегодняшний день самый известный и широко используемый сверхпроводник представляет собой оксид иттрия-бария-меди (YBaCuO). Он переходит в сверхпроводящее состояние при -180 °C, что близко к температуре кипения азота при нормальном давлении (-196 °C).

Есть соединения и с более высокими критическими температурами: до сегодняшнего дня рекордом оставалась отметка в -70 °C. Но все известные такие вещества неудобны в применении. Они либо хрупки, либо токсичны, либо обладают ещё какими-нибудь недостатками.

Кристалл под давлением облучали рентгеновскими фотонами, чтобы выяснить его структуру.
Кристалл под давлением облучали рентгеновскими фотонами, чтобы выяснить его структуру.
Иллюстрация Drozdov et al.

Недавние теоретические работы показали, что при ещё более высоких температурах (но и давлениях в миллионы атмосфер) в сверхпроводящее состояние должны переходить гидриды кальция, лантана и иттрия, по структуре похожие на газовые гидраты. При этом вокруг атомов "элемента-хозяина", расположенных в узлах кристаллической решётки, скапливается водород. На каждый атом лантана или иттрия должно приходиться по десять водородных.

Авторы нового исследования решили проверить эту концепцию в эксперименте. С помощью алмазных наковален они подвергли гидрид лантана воздействию давления в 150–170 гигапаскалей (порядка полутора миллионов атмосфер). Структура, которую принял материал под таким невероятным нажимом, изучалась с помощью рентгеновских лучей.

В этих экзотических условиях электрическое сопротивление материала упало до нуля при невиданно высокой температуре: -23 °C.

Наблюдались и два других классических признака сверхпроводимости. Во-первых, под воздействием внешнего магнитного поля критическая температура снизилась. Во-вторых, она изменилась, когда часть атомов в материале была заменена на атомы других изотопов тех же элементов.

Был проверен и четвёртый ключевой признак: эффект Мейснера. Он заключается в том, что внешнее магнитное поле не проникает внутрь материала, находящегося в сверхпроводящем состоянии. Однако этот эффект наблюдать не удалось. Исследователи полагают, что образец был для этого слишком мал.

Конечно, такой сверхпроводник невозможно использовать в технологических целях. Держать провода под давлением в полтора миллиона атмосфер – затея ещё более странная, чем заливать их жидким гелием. Поэтому исследователи планируют, изучив свойства гидрида лантана, разработать новые материалы, к которым уже не будет применим девиз плохого руководителя: "Чтобы всё работало, надо постоянно давить".

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о том, как достичь сверхпроводящего состояния при комнатной температуре с помощью лазера .