Научные исследования, проводимые специалистами Сколтеха, Института кристаллографии РАН и Центра высоких давлений HPSTAR в Пекине (Китай), продолжают раскрывать тайны сверхпроводимости. Фокус группы ученых сосредоточен на изучении свойств гидридов – сложных соединений металлов с водородом, формирующихся при экстремально высоком давлении. Ученые предсказывают, что такие гидриды могут проявлять сверхпроводимость при более высоких температурах по сравнению с уже известными купратными сверхпроводниками. Вместе с коллегами из России, Китая, Германии и США исследователи опубликовали научную статью в журнале Advanced Science , представив в ней ранее неизвестные гидриды олова.
Сверхпроводимость – это способность материала проводить электрический ток без потерь и сопротивления. Сверхпроводники существенно упрощают передачу электрического тока и используются в новых технологических разработках – например, в больших магнитах или квантовых компьютерах, которые в миллионы раз быстрее решают задачи, практически недоступные для обычных компьютеров. Однако пока такие технологии дорогие из-за того, что существующие сверхпроводники могут работать только при очень низких температурах – в основном ниже минус 196 градусов Цельсия.
Научная группа, состоящая из ученых Сколтеха и Центра высоких давлений HPSTAR, активно занимается экспериментами, направленными на достижение комнатной температуры сверхпроводимости. Уже ранее исследовались сверхпроводящие гидриды различных металлов при давлениях до двух миллионов атмосфер. Например, максимальная температура сверхпроводимости составляла около 253 градусов Кельвина (приблизительно минус 20 градусов Цельсия) для сверхпроводящих гидридов тория, иттрия, церия, лантана-иттрия и лантана-церия.
В новой статье исследователи сконцентрировались на химическом взаимодействии между оловом (Sn) и водородом (H2) при давлениях 180-240 гигапаскалей. Это было достигнуто с использованием электротранспортных измерений и синхротронной рентгеновской дифракции.
“Для экспериментов мы используем алмазные камеры высокого давления с двумя алмазными наковальнями, которые с усилием прижимаются друг к другу. Между ними помещается небольшой образец исследуемого материала. В рамках этой работы мы загружали в камеру жидкий станнан – молекулярный гидрид олова SnH4. При сдавливании алмазов в области диаметром 50 микрометров развивается огромное давление – до 2-2.5 миллионов атмосфер. В результате свойства вещества изменяются и образуются новые соединения олова с водородом. Прозрачная жидкость SnH4 превращается в полупроводник, потом становится металлом, а затем сверхпроводником с критической температурой в 72 градуса Кельвина. Электротранспортные свойства мы исследовали, используя металлические контакты на алмазе и пропуская электрический ток через образец. Структуру новых гидридов олова мы изучали с использованием монокристальной и порошковой синхротронной дифракции”, – рассказал научный сотрудник в Центре высоких давлений HPSTAR.
Схема эксперимента
Полученные результаты вызвали интерес у исследователей. Гидрид олова под давлением демонстрирует необычные свойства. Электрическое и магнитное сопротивление этого материала в несверхпроводящем состоянии почти линейно зависит от температуры и магнитного поля соответственно. Верхнее критическое магнитное поле также линейно зависит от температуры, отклоняясь от общепринятых моделей. Поведение тетрагидрида олова оказывается очень похожим на поведение купратных сверхпроводников, которые принято характеризовать как “странные”, нефермижидкостные, металлы.
По словам ученых, исследование играет роль связующего звена между областью квантовых эффектов в купратных сверхпроводниках и гидридной сверхпроводимостью при высоких давлениях. Такие сверхпроводящие гидриды, как супергидрид лантана, также могут обнаружить “странные” металлические свойства, и их исследование будет продолжено.
Научное сообщество планирует продолжить изучение свойств сверхпроводящих гидридов с учетом квантовых эффектов при экстремально низких температурах. Особое внимание будет уделено гидридам церия, как, например, CeH9 и CeH10. Исследователи уверены, что большие образцы этих гидридов могут быть получены при значительно более низком давлении около 1 миллиона атмосфер.