Сверхпроводимость при комнатной температуре — но давлении как в центре Земли

Сверхпроводящее состояние вещества впервые достигнуто при комнатной температуре. Фотохимически синтезированное трёхкомпонентное соединение C — S — H становится сверхпроводником при температуре вплоть до 15˚C, но при давлении в миллионы атмосфер. Такое давление удаётся развить только в лабораторном эксперименте, вырастив кристаллическое соединение в микроячейке алмазного пресса.

Статья, опубликованная в октябре 2020 года в Nature, описывает новое достижение в экспериментальном исследовании сверхпроводящих свойств соединений водорода и других элементов. В последние несколько лет этот класс соединений исследуется как перспективное направление в поиске высокотемпературных сверхпроводящих материалов, а сверхпроводящие свойства открывают как у собственно гидридов (соединений водорода с металлами), так и у веществ, вторым компонентом которых является неметалл. Рекорды последних лет заключаются в получении сверхпроводников при температурах в районе −70˚C — −20˚C в этом классе; как правило, они все предполагают сверхдавление 100—200 ГПа. В 2018 году уже удалось добиться сверхпроводимости при аномально высокой температуре −13˚C у другого гидрида под сверхдавлением — вещества, состоящего из атомов водорода и лантана (про последние достижения в экспериментах с лантаном также есть статья на сайте). Новый результат отличается тем, что теперь используются три элемента — углерод, сера и водород. По отдельности соединения серы и углерода с водородом уже неплохо исследованы на предмет сверхпроводящих свойств на высоких давлениях (при обычных условиях это просто сероводород и метан). Добавление третьего элемента существенно расширяет пространство для экспериментирования. Новая работа также подтверждает давнее теоретическое предсказание того, что материалы с повышенным содержанием атомов водорода могут вести себя как сверхпроводники при температурах, значительно более высоких, чем можно было до этого представить.

Физики из лаборатории сверхпроводимости университета Рочестера поместили смесь углерода, серы и водорода в микроскопическую полость, «выгравированную» на точечном контакте двух алмазов («алмазную наковальню»). С помощью лазерного излучения в смеси инициируется реакция, которая приводит к росту кристалла. При понижении температуры образец демонстрирует падение сопротивления до нуля, что означает переход в сверхпроводящее состояние. Повышением давления в эксперименте удаётся до некоторых пределов повышать и температуру перехода. Наилучший результат — переход при температуре 287,7 K (≈15˚ C) и давлении 267 ГПа, то есть 2,6 миллиона атмосфер. Это значение сопоставимо с давлением в центре Земли. При таком давлении происходит впрессовывание электронных оболочек отдельных атомов друг в друга настолько, что они сливаются и образуют коллективное проводящее состояние, даже если при обычных давлениях вещество было диэлектриком. О сверхпроводящих свойствах такого металлизированного водорода (или водородсодержащих соединений) на больших давлениях догадываются давно. Такие давления вполне достижимы в недрах газовых планет, поэтому у астрофизиков есть гипотезы о «сверхпроводящем магнитном динамо», обуславливающим магнитное поле, например, Юпитера.

Также удалось выявить знаковый эффект сверхпроводимости — «вытеснение» линий магнитного поля из сверхпроводника при температуре перехода. В этом случае сверхпроводимость можно продемонстрировать, заставив обычный постоянный магнит левитировать над сверхпроводником. Это явление называется эффектом Мейснера и оно известно ещё с 1930-х годов. Поскольку в реальных экспериментальных условиях для этого необходимы сверхнизкие температуры, материал охлаждают, например, жидким азотом или гелием. Если бы вещество могло обладать такими свойствами при обычных условиях, эффект мог бы стать основой поездов на магнитной подушке. Но в данном случае даже провести эффектную демонстрацию не получится — такие сверхдавления достигаются только в микрополости с соответствующими размерами образца. У вещества при этих условиях даже не до конца понятно кристаллическое строение и химическая формула.

Структура двухкомпонентных гидридов, которые становятся сверхпроводниками при высоких давлениях, исследована гораздо лучше. Поведение смеси из трёх компонент под высоким давлением пока приходится изучать при помощи математического моделирования её фазовых диаграмм. Однако моделирование также ещё не может объяснить таких высоких температур, при которых наблюдается переход в сверхпроводящее состояние.

Такие давления сегодня можно создавать или в микрообъёмах, как в этом случае с «алмазной наковальней», или на короткие промежутки времени (доли секунды). Поэтому о практическом применении материала речь ещё не идёт. Но ценность открытия в том, что оно показывает, в каком направлении нужно двигаться в области высокотемпературной сверхпроводимости, прежде всего, чтобы в будущем достичь сверхпроводящего эффекта при более разумных давлениях.