Новости

17 апреля, 2020 20:27

В России открыли новый способ поиска сверхпроводников

Исследователи Сколтеха и МФТИ и их коллеги открыли новое правило, облегчающее поиск высокотемпературных сверхпроводников, представляющих сейчас особую актуальность. Ученым удалось установить связь между положением элемента в Периодической таблице и его способностью к образованию высокотемпературного сверхпроводящего гидрида.Сверхпроводящие материалы обладают нулевым сопротивлением и способны передавать электричество без потерь. Эти свойства представляют огромный интерес с точки зрения практического использования сверхпроводников в электронике и энергосетях. Сверхпроводящие магниты уже широко применяются и в аппаратах МРТ, работающих в обычных больницах, и в ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе.

Источник: Пресс-служба РНФ
Источник: Сколтех / Павел Одинев
3 / 4
Источник: Пресс-служба РНФ
Источник: Сколтех / Павел Одинев

На сегодняшний день существует два способа достижения сверхпроводимости, причем оба требуют обеспечения предельных условий: либо очень низких температур, либо очень высокого давления. В первом случае требуется охлаждение до 100 К (приблизительно -173 градуса по Цельсию) или еще ниже. Результаты исследований показывают, что у металлического водорода сверхпроводимость может проявляться и при температуре, близкой к комнатной, но для этого необходимо обеспечить давление на пределе сегодняшних технических возможностей — более 4 миллионов атмосфер.

Именно поэтому взгляды ученых сейчас устремлены в сторону гидридов — соединений водорода с другим химическим элементом: эти соединения могут переходить в сверхпроводящее состояние при относительно высоких температурах и относительно низких давлениях. Действующим рекордсменом по температуре перехода является декагидрид лантана, LaH10. В прошлом году было показано, что это соединение становится сверхпроводящим при температуре -23 оС и давлении 1,7 миллиона атмосфер. Такой уровень давления вряд ли даст возможность практических применений, но тем не менее результаты, полученные в ходе исследований гидридов-сверхпроводников, имеют важное значение для других классов сверхпроводников, работающих при нормальных давлении и температуре.

Аспирант Сколтеха Дмитрий Семенок, профессор Сколтеха и МФТИ Артём Оганов и их коллеги открыли новое правило, позволяющее предсказывать максимальную критическую температуру перехода в сверхпроводящее состояние (maxTC) для гидрида металла исходя только из электронной структуры атомов металла. Это открытие существенно облегчает задачу поиска новых сверхпроводящих гидридов. Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом, представлены в статье в журнале Current Opinion in Solid State & Materials Science.

«Поначалу связь между сверхпроводимостью и Периодической таблицей казалась нам чем-то загадочным. Мы и сейчас не до конца понимаем ее природу, но полагаем, что она обусловлена тем, что электронная структура элементов на границе между элементами s и p или s и d (они располагаются между 2-й и 3-й группами таблицы) особенно чувствительна к искажениям кристаллической решетки, что способствует сильному электрон-фононному взаимодействию, которое и лежит в основе сверхпроводимости гидридов», — отмечает Артём Оганов.

Ученые не только выявили важную качественную закономерность, но и провели обучение нейронной сети для предсказания значения maxTC для соединений, по которым отсутствуют экспериментальные или теоретические данные. Для некоторых элементов в ранее опубликованных данных наблюдались аномалии. Исследователи решили проверить эти данные, используя для этой цели эволюционный алгоритм USPEX, разработанный профессором Огановым и его учениками и позволяющий предсказывать термодинамически стабильные гидриды этих элементов.

«В отношении элементов, у которых, согласно опубликованным данным, наблюдались слишком низкие или слишком высокие (по условиям нового правила) значения maxTc, мы провели систематический поиск стабильных гидридов и в результате не только подтвердили справедливость нового правила, но и получили целый ряд новых гидридов таких элементов, как магний (Mg), стронций (Sr), барий (Ba), цезий (Cs) и рубидий (Rb). В частности, было установлено, что у гексагидрида стронция SrH6 значение maxTC составляет 189 К (-84 оC) при давлении 100 ГПа, а у теоретического супергидрида бария BaH12 оно может достигать 214 K (-59 оC)», — рассказывает один из авторов работы, старший научный сотрудник Сколтеха и преподаватель МФТИ Александр Квашнин.

В 2019 году Артём Оганов и его коллеги из России, США и Китая синтезировали супергидрид церия CeH9, обладающий сверхпроводимостью при температуре 100−110 К и (относительно) низком давлении — 120 ГПа. Еще один сверхпроводник, открытый исследовательской группой в составе Дмитрия Семенка, Ивана Трояна, Александра Квашнина, Артёма Оганова и их коллег, — гидрид тория ThH10, имеющий высокую критическую температуру 161 К.

«Имея в арсенале новое правило и нейронную сеть, мы можем сосредоточить наши усилия на поиске более сложных и перспективных соединений, обладающих сверхпроводимостью при комнатной температуре. Это тройные супергидриды, состоящие из двух элементов и водорода. Нам уже удалось предсказать несколько гидридов, которые вполне могут конкурировать с LaH10 и даже превосходить его», — говорит первый автор работы Дмитрий Семенок.

В работе также участвовали сотрудники Всероссийского научно-исследовательского института автоматики имени Н. Л. Духова и Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ имени М. В. Ломоносова.

20 мая, 2024
Препарат для персонализированной терапии опухолевых заболеваний создали ученые ННГУ
Ученым ННГУ им. Н. И. Лобачевского удалось соединить внутри одного препарата несколько действующих...
20 мая, 2024
Соли уксусной кислоты упростят добычу тяжелой нефти
Ученые выяснили, что ацетаты — соли уксусной кислоты с переходными металлами — в комбинации с парово...