Ученые создали новые сверхпроводники из соединений водорода и редкоземельного металла празеодима; одно из веществ является неожиданным с точки зрения классической химии. Результаты исследования позволили найти наиболее оптимальные металлы для создания сверхпроводников, работающих при комнатной температуре. Исследование опубликовано в журнале Science Advances. Работа поддержана грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ) по поддержке лабораторий мирового уровня.
Последние полтора десятилетия в науке существует теория, что водородные соединения (гидриды) могут быть отличными сверхпроводниками — веществами, у которых при охлаждении до определенной температуры полностью пропадает электрическое сопротивление. За счет этого они способны передавать электричество без потерь, что делает их очень перспективными материалами для энергосетей. Однако существует проблема, которую ученые все еще не смогли решить — это температура, при которой вещество становится сверхпроводником. Для большинства соединений она очень низкая, поэтому применяемые на практике сверхпроводники обычно охлаждают жидким гелием, при этом нужно использовать дорогое и сложное оборудование. Физики пытаются найти вещество, являющееся сверхпроводником при комнатной температуре. Один из кандидатов — металлический водород, но его создание требует огромных давлений свыше 4 миллионов атмосфер.
Группа российских ученых из Сколтеха и китайских исследователей опубликовала статью, первыми авторами которой стали Дмитрий Семенок и Ди Чжоу. Они сообщили о создании соединений водорода с празеодимом, металлом из группы лантаноидов, и изучении их физических свойств. Авторы синтезировали несколько соединений, которые отличались друг от друга соотношением атомов двух элементов. Для этого в специальную камеру помещали образцы, состоящие из металлического празеодима и водорода. Их сжимали между двумя конусообразными алмазами, таким образом повышая давление до 40 ГПа, и нагревали с помощью лазера. Вещества сжимались и вступали в реакцию, образуя соединение PrH3. Однако в таких экспериментах алмазы часто становятся хрупкими из-за контакта с водородом и разрушаются. Поэтому ученые заменили чистый водород бораном аммония — соединением, содержащим большое количество водорода, который выделяется при нагревании и вступает в реакцию с празеодимом. Такой способ действительно оказался эффективнее, и дальнейшие опыты ученые проводили с ним. Повысив давление, исследователи получили вещество PrH9. Таким же способом ученые ранее синтезировали соединения водорода с лантаном — металлом из той же группы. Особенность полученных молекул в том, что они «запрещены» классической химией и не объясняются ее правилами. Формально электронное строение атома празеодима не позволяет ему образовывать такое большое количество связей с другими атомами. Однако существование подобных «неправильных» соединений можно предсказать сложными квантовыми расчетами и подтвердить экспериментами.
Наконец, ученые исследовали сверхпроводимость созданных веществ. Для этого они измеряли электрическое сопротивление при разных температурах и давлении. Исследователи выяснили, что гидрид празеодима переходит в состояние сверхпроводника при температуре в -264 °С, что намного ниже температуры сверхпроводимости гидрида лантана LaH10, но вместе с тем сами вещества химически и структурно очень похожи. Авторы исследования изучили, чем обусловлена такая разница в характеристиках. Сопоставив результаты этого исследования с другими, ученые выяснили, что положение металла в таблице Менделеева и его свойства играют принципиальную роль. Оказалось, что атомы празеодима не просто являются донорами электронов: в отличие от своих соседей лантана и церия, они несут небольшие магнитные моменты, которые подавляют сверхпроводимость, а потому температура ее появления падает.
«С помощью метода, ранее применявшегося для синтеза гидридов лантана, мы смогли создать новые сверхпроводящие металлические гидриды празеодима. Мы сделали два основных вывода. Во-первых, возможно возникновение аномальных соединений, состав которых никак не связан с валентностями. Во-вторых, мы подтвердили новый принцип создания сверхпроводников. Мы узнали, что металлы из «пояса лабильности», расположенного между II и III группами таблицы Менделеева, подходят для этого лучше всех остальных. Из лантаноидов ближе всего к «поясу лабильности» лантан и церий. В дальнейших исследованиях мы будем использовать эту информацию при получении новых высокотемпературных сверхпроводников», — прокомментировал Артем Оганов, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор физико-математических наук, профессор Сколтеха, заведующий лабораторией в Московском физико-техническом институте.