Физики получили радиоактивный высокотемпературный сверхпроводник

Российские физики получили новый высокотемпературный сверхпроводник — гидрид тория ThH₁₀ — и экспериментально измерили его свойства. Полученное соединение остается стабильным при рекордно низком давлении около 0,85 миллиона атмосфер и сохраняет сверхпроводящие свойства при температуре ниже 160 кельвинов и магнитных полях слабее 45 тесла. Кроме того, ученые измерили свойства еще нескольких гидридов тория, случайно синтезированных вместе с ThH₁₀. Статья опубликована в Materials Today, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Долгое время звание самых «жаростойких» сверхпроводников держалось за купратами. Во-первых, эти соединения были первыми в истории сверхпроводниками, которые сохраняли свои свойства при температуре выше точки кипения жидкого азота. Во-вторых, рекорд купрата HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+x, синтезированного в 1993 году и переходящего в сверхпроводящее состояние при температуре 164 кельвина, (−109 градусов Цельсия), держался более двадцати лет

Как бы то ни было, в 2015 году этот рекорд побило принципиально новое соединение — обыкновенный сероводород, сжатый до давления 1,5 миллиона атмосфер. Оказалось, что в таких экстремальных условиях сероводород переходит в сверхпроводящее состояние, которое сохраняется при нагревании до 203 кельвин (−70 градусов Цельсия). Более того, вскоре после открытия сверхпроводимости сероводорода теоретики предсказали целый ряд гидридов, которые на сравнимых давлениях превращаются в высокотемпературные сверхпроводники. К настоящему моменту ученые экспериментально подтвердили, что аналогичными свойствами обладают гидриды фосфора, иттрия, церия, урана и лантана, последний из которых превращается в сверхпроводник при температуре около 260 кельвин (−13 градусов Цельсия). К сожалению, все эти соединения остаются стабильными только при крайне высоких давлениях порядка миллиона атмосфер. Поэтому, несмотря на высокую критическую температуру, вплотную приблизившуюся к комнатной, на практике эти сверхпроводники использовать нельзя.

Группа исследователей из МИФИ, ФИАНа, а также Франции и Китая под руководством сотрудника Сколтеха и МФТИ Артема Оганова и Ивана Трояна из Института кристаллографии РАН экспериментально подтвердила высокотемпературную сверхпроводимость еще одного гидрида — гидрида тория ThH₁₀. В прошлом году ученые уже исследовали это соединение теоретически с помощью алгоритма USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary (X)Crystallography). Тогда физики обнаружили, что критическая температура этого сверхпроводника на 20 градусов не дотягивает до рекорда, однако для его создания нужно самое низкое давление среди всех известных гидридов (ThH₁₀ «разваливается» при давлении ниже 0,8 миллиона атмосфер). Это делало гидрид тория одним из самых перспективных сверхпроводящих гидридов.

Теперь ученые экспериментально подтвердили предсказанные свойства. Чтобы синтезировать гидрид тория, физики загружали смесь тория и боразана в ячейку алмазной наковальни с вольфрамовой гаскеткой. С помощью этой наковальни исследователи сжимали образец до 1,7 миллиона атмосфер, а затем разогревали до 1800 кельвин с помощью четырех лазерных импульсов. Кристаллическую структуру полученного образца физики определяли с помощью рентгеноструктурного анализа. Затем ученые медленно понижали давление в ячейке и измеряли температуру образца, чтобы восстановить его уравнение состояния. В целом полученная кристаллическая структура и уравнение состояния совпало с теоретическими предсказаниями. Как и ожидалось, вплоть до давлений порядка 0,85 миллиона атмосфер соединение оставалось стабильным.

Чтобы измерить критическую температуру и критическое магнитное поле, ученые повторили эксперимент в немного измененной форме. Во-первых, перед сжатием исследователи зажали образец между танталовыми электродами с золотым покрытием. Во-вторых, чтобы изолировать образец от внешнего электрического поля, физики вставили в гаскетку слой из оксида магния. В остальном процедура получения гидрида мало отличалась от предыдущего опыта. После того, как образец был получен, ученые охлаждали его до тех пор, пока сопротивление не падало до нуля. Эти же измерения исследователи повторяли для ненулевого внешнего магнитного поля. К сожалению, на этот раз эксперимент довольно сильно разошелся с теорией: при нулевом внешнем магнитном поле полученная критическая температура образца составляла 160 кельвин, что было в полтора раза ниже предсказанного значения (240 кельвин). В то же время, критическое магнитное поле (45 тесла) в целом совпало с теорией (38 тесла).

Кроме того, ученые повторили те же самые измерения для других гидридов тория, случайно синтезированных в ходе эксперимента. Одно из этих соединений, гидрид ThH₉, также оказалось сверхпроводником, хотя и менее перспективным: в аналогичных условиях его критическая температура составляла 146 кельвин, а критическое магнитное поле — 38 тесла. Кроме того, оно быстрее разрушалось (ThH₉ «разваливался» при давлении порядка миллиона атмосфер). Для двух оставшихся соединений, гидридов ThH₄ и ThH₆, ученые измерили уравнение состояния и определили критическое давление, ниже которого соединения начинают разрушаться (0,86 и 1,04 миллиона атмосфер соответственно). Эти соединения сверхпроводящими свойствами не обладали.

Группа Оганова работает над алгоритмом USPEX с 2004 года, за это время ученые успели предсказать много необычных веществ, образующихся при высоких давлениях. В частности, с помощью этого алгоритма химики разработали новый сверхтвердый материал, показали, что при больших давлениях окись азота приобретает сверхпроводящие свойства, а гелий образует стабильное соединение с натрием, а также обнаружили «невозможные» в классической химии формы оксида алюминия, хлорида натрия, соединений магния, кремния и кислорода. Большая часть предсказанных соединений уже получена на практике. Более полный список открытий, сделанных с помощью алгоритма USPEX, можно найти на сайте алгоритма.

Источник: N+1