Российские и китайские ученые нащупывают путь к «комнатной» сверхпроводимости
Эффект сверхпроводимости сулит качественно иную передачу электроэнергии, когда практически не будет потерь от транспортировки по сетям передачи. Препятствием на этом пути остается необходимость значительного охлаждения материалов для появления сверхпроводимости. В идеале необходимо найти металлы, у которых сверхпроводимость проявлялась бы при комнатной температуре. На днях шаг в эту сторону сделала группа российских и китайских ученых.
Ученые из Сколково и Цзилиньского университета (Китай) смогли создать соединение, которое невозможно предсказать или описать классической химией. В ходе серии экспериментов было получено соединение водорода с празеодимом, металлом из группы лантаноидов. Водородные соединения или гидриды, как принято считать в последние полтора десятилетия, могут являться отличными сверхпроводниками. Вот только получить металлический водород можно в условиях огромных давлений свыше 4 миллионов атмосфер.
В поставленном эксперименте металлический празеодим помещался в наполненную водородом среду и сжимался между двумя алмазными конусообразными "наковальнями". При этом образец нагревался с помощью лазера. В условиях нагрева и давления 40 ГПа вещества вступали в реакцию и получалось искомое соединение PrH3. Одна проблема, в таких условиях алмазные "наковальни" вступают в реакцию с водородом и могут разрушаться.
Чтобы избежать разрушения алмазного инструмента, ученые поменяли чистый водород на такое его соединение, как боран аммония. Это вещество содержит много водорода, который выделяется при нагреве и вступает в соединение с празеодимом. Только вот в процессе синтеза получилось соединение PrH9 с намного большим числом атомов водорода, чем может удержать празеодим в рамках классической химии. Такие "невозможные" молекулы описываются с использованием "квантовой" химии.
"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".
Получение PrH9 не стало неожиданностью. Ранее ученые похожим образом синтезировали соединения водорода с лантаном - металлом из той же группы. Однако изучение нового соединения выявило интересную особенность. Выяснилось, что гидрид празеодима переходит в состояние сверхпроводника при температуре в −264 °С, что намного ниже температуры сверхпроводимости гидрида лантана LaH10. Иными словами, молекулы похожего строения повели себя непредсказуемо.
Выяснилось, что атомы празеодима, кроме того, что они являются донорами электронов, еще несут с собой небольшие магнитные моменты, которые подавляют сверхпроводимость. Это явление ведет к тому, что температура появления сверхпроводимости падает. Эффект, на первый взгляд, отрицательный, ведь нам нужно повышать температуру сверхпроводимости. Но выявленное явление четко указывает, с какими металлами лучше иметь дело для поиска "комнатной" сверхпроводимости, а с какими нет.
В частности, для этого лучше использовать металлы из "пояса лабильности", расположенного между II и III группами таблицы Менделеева, а из лантаноидов ближе всего к "поясу лабильности" лантан и церий. Ждем новых экспериментов.
