Исследователи из Росии и Китая смогли создать несколько новых сверхпроводников из водорода и редкоземельного металла празеодима, один из которых считался до сих пор «невозможным». Результаты поддержанного грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда по поддержке лабораторий мирового уровня исследования опубликованы в журнале Science Advances.

В последнее время исследователи со всего мира заинтересовались гидридами — соединениями какого-либо химического элемента с водородом. Больше всего ученых интересуют гидриды металлов, так как существует теория, что они могут быть отличными сверхпроводниками. До сих пор основной проблемой для внедрения сверхпроводников в нашу жизнь остается очень низкая температура их перехода в сверхпроводящее состояние.

Одним из кандидатов в так называемые высокотемпературные сверхпроводники считается металлический водород, но для его создания требуется давление свыше четырех миллионов атмосфер. Поэтому перспективными считаются материалы, находящиеся в металлическом состоянии и при этом содержащие значительное количество этого элемента.

Теперь исследователи из Сколтеха и Цзилиньского университета сообщили о создании соединений водорода с празеодимом — металлом из группы лантаноидов — и изучении их физических свойств. Авторы создали несколько соединений, которые отличались друг от друга соотношением атомов водорода и металла. Для этого они сжимали образцы празеодима и борана аммония — соединения, содержащего большое количество водорода, который выделяется при нагревании — между алмазных конусов. Использование борана аммония вместо чистого водорода позволило получить несколько соединений вплоть до PrH₉. Таким же способом ученые ранее синтезировали соединения водорода с лантаном — металлом из той же группы.

Температура перехода в сверхпроводящее состояние у новых соединений оказалась достаточно низкой — -264 °С. Это намного меньше, чем у гидрида лантана. Внимательно разобравшись в электронной структуре празеодима, которая во многом определяет это свойство, авторы выяснили, почему так происходит. Дело оказалось в том, 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.

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.