Адрес e-mail:

Ученые синтезировали «невозможный» сверхпроводник

Иллюстрация. «Невозможный» супергидрид церия. Дизайнер: @tsarcyanide, пресс-служба МФТИ


Исследователи из США, России и Китая синтезировали запрещенное классической химией соединение водорода и церия, СеH9 которое демонстрирует сверхпроводимость при сравнительно низком давлении в 1 млн атмосфер. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Материалы, способные проводить ток без сопротивления, называются сверхпроводниками и лежат в основе мощных электромагнитов, например тех, что ускоряют частицы на Большом адронном коллайдере. Недостаток известных на сегодня сверхпроводников в том, что они сохраняют свои свойства лишь при очень низких температурах и высоких давлениях. Это ограничивает круг возможных приложений и делает существующие сверхпроводниковые технологии дорогими. Открытие сверхпроводников, работающих при нормальных условиях, позволило бы передавать электроэнергию по ЛЭП без потерь, удешевить медицинские томографы и поезда на магнитной подушке.

Считается, что при чрезвычайно сильном сжатии водород должен стать твердым металлом. Причем ученые считают, что такая форма водорода может демонстрировать сверхпроводимость при комнатной температуре. К сожалению, металлизация чистого водорода требует колоссального давления, около 5 млн атмосфер. Для сравнения: давление в центре Земли составляет 3,6 млн атмосфер.

«Поэтому материаловеды идут по другому пути: синтезируются так называемые запрещенные соединения разных элементов — например, лантана, серы или церия — и водорода, с повышенным содержанием последнего. Скажем, классическая химия предусматривает вещества с формулами CeH2 и CeH3. Мы же „упаковываем“ в супергидрид церия еще больше атомов водорода и получаем соединение CeH9», — поясняет автор исследования Артём Оганов, профессор Сколтеха и Московского физико-технического института.

«Хотя сверхпроводящие свойства супергидрида церия проявляются только при охлаждении до −200 градусов Цельсия, этот материал интересен тем, что стабилен при более низком давлении (1 млн атмосфер), чем полученные ранее супергидриды серы и лантана. С другой стороны, супергидрид урана UH7, который мы с коллегами предсказали и получили в прошлом году, стабилен при еще более низком давлении (0,2 млн атмосфер), зато он требует большего охлаждения (−219°C)», — рассказывает соавтор работы Иван Круглов, научный сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ и Всероссийского НИИ автоматики им. Н. Л. Духова.

Чтобы получить супергидрид церия, ученые поместили в камеру с алмазными наковальнями микроскопический образец металла церия и вещество, выделяющее при нагревании газообразный водород. Для проведения реакции этот образец сжимали между двумя плоскими алмазами, достигая необходимого давления. При этом содержащий водород реагент нагревался лазером. По мере увеличения давления, в камере образовывались гидриды церия со все большим содержанием водорода: CeH2, CeH3 и т. д. Наконец, продуктом реакции становился супергидрид церия CeH9. По словам авторов исследования, все соединения подобного рода нестабильны при снижении давления.

Чтобы прояснить структуру нового вещества, ученые использовали рентгенодифракционный анализ, чувствительный к расположению атомов церия. В кристаллической решетке CeH9 (рисунок 1) каждый из этих атомов окружен своего рода сферической клеткой из 29 атомов водорода. При этом атомы водорода связаны между собой ковалентными связями — как в молекуле газообразного водорода H2, но несколько слабее — а атомы церия занимают предоставленные им полости.

Рисунок 1. Кристаллическая структура полученного авторами исследования «запрещенного» соединения — супергидрида церия, CeH9. Атомы церия показаны в виде красных сфер. Черным показаны атомы водорода и химические связи между ними. Изображение: Иван Круглов, МФТИ и ВНИИА им. Духова


Благодаря появлению методов компьютерного предсказания запрещенных соединений, таких как разработанный профессором Сколтеха и МФТИ Артёмом Огановым алгоритм USPEX, ученые уже досконально изучили почти все гидриды отдельных металлов. Следующий шаг — добавить еще один химический элемент. Науке почти ничего не известно о свойствах тройных соединений, где помимо водорода присутствуют атомы сразу двух металлов. Поскольку вариантов таких соединений очень много, исследователи планируют использовать алгоритмы искусственного интеллекта для отбора самых перспективных тройных систем.
Если вы заметили в тексте ошибку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter.

МФТИ в социальных сетях