Американские ученые из Рочестерского университета разработали новый сверхпроводник, представляющий собой допированный атомами азота гидрид лютеция. Материал проявляет сверхпроводимость при температуре 20 °C и давлении 10 килобар, что открывает возможности для повседневного использования. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.
Сверхпроводимость — это свойство материала проявлять нулевое сопротивление при определенной температуре. Хотя среди материалов известен ряд сверхпроводников, все они работали исключительно при экстремальных температурах и давлении. Следовательно, массовыми эти материалы стать не могли, так как в повседневной жизни мы редко сталкиваемся с подобными условиями. Поэтому перед физиками стояла задача — разработать такой материал, который бы проявлял сверхпроводимость при температуре и давлении, пригодных для его практического применения. На основе таких сверхпроводников можно разработать электрические сети, передающие электричество без потерь, высокоскоростные поезда на магнитной подушке, способные удерживать плазму токамаки. С помощью сверхпроводимости также можно улучшить технологии медицинской визуализации и сканирования (например, МРТ), создать более быстрые и эффективные электронные устройства.
Теперь американские ученые разработали новый сверхпроводник — гидрид лютеция, допированный атомами азота. Последние годы для создания сверхпроводниковых материалов часто использовали гидриды редкоземельных металлов, то есть их соединения с водородом. Все дело в их строении. Они образуют клатраты — структуры, похожие на клетки. При этом атомы редкоземельных металлов выступают донорами электронов. Для стабилизации материалов при этом часто используют атомы углерода или азота. В новом проекте ученые выбрали лютеций из-за того, что его f-орбиталь полностью заполнена 14 электронами. Это позволило улучшить взаимодействия между электронами и фононами, что, в свою очередь, необходимо для того, чтобы сверхпроводимость проявлялась при комнатных температурах.
Чтобы создать материал, ученые использовали смесь газов, на 99% состоящую из водорода и на 1% — из азота. В реакционную камеру, наполненную смесью газов, поместили образец чистого лютеция. Компоненты взаимодействовали между собой на протяжении 2–3 дней при 200 °С. Получившееся соединение изначально имело синий цвет. Когда же его спрессовали, с материалом произошли метаморфозы: в начале сверхпроводимости синий цвет сменился на розовый, а затем на красный, когда материал перешел в непроводящее состояние. Такие цветовые переходы удивили ученых, поэтому они даже дали материалу кодовое название — «красная материя», вдохновившись фильмом «Звездный путь» 2009 года. Получившийся материал проявлял сверхпроводимость при 20°C и давлении 10 килобар, что достаточно для практического применения, хотя значения давления все еще несколько велики.
Ранее авторы исследования уже предлагали другие сверхпроводящие материалы. К их числу относились гидрид серы, допированный углеродом, и супергидрид иттрия. Первый проявлял сверхпроводимость при 14 °C и 2700 килобар, а второй — при -11 °C и 1800 килобар. Информация об этом была опубликована в журналах Nature и Physical Review Letters, но ученые столкнулись с критикой, из-за чего статью даже отозвали из Nature. Тогда исследователи обновили статью данными, подтверждающими их работу и полученными в другой лаборатории. Свои эксперименты по сверхпроводимости они проводили перед группой ученых, чтобы доказать свою правоту, и использовали такой же подход и в этот раз.
Ученые считают, что полученные и накопленные ими данные можно использовать для разработки новых сверхпроводящих материалов с помощью машинного обучения. Сейчас для разных сфер используются разные металлы, поэтому и среди сверхпроводящих материалов, которые будут применяться в будущем, нужно разнообразие.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
