Сверхпроводники – это материалы, которые позволяют электрическому току течь без какого-либо сопротивления. Эта уникальная способность делает их чрезвычайно ценными для современных технологий, таких как эффективная передача энергии, её хранение, системы магнитной левитации и квантовые компьютеры. Мечта о создании таких материалов, работающих в обычных условиях, всегда манила ученых, поскольку это могло бы революционизировать множество сфер нашей жизни.
Главная проблема заключается в том, что сверхпроводимость обычно проявляется только при очень низких температурах, значительно ниже повседневных условий. Это ограничение препятствовало её широкому практическому применению. Ситуация начала меняться с открытием сверхпроводимости в материалах, богатых водородом. Например, сероводород (H3S) становится сверхпроводящим при 203 Кельвинах (–70 °C), а декагидрид лантана (LaH10) – при 250 Кельвинах (–23 °C). Эти температуры значительно выше, чем у большинства предыдущих сверхпроводников, и превышают температуру кипения жидкого азота. Ученые классифицируют их как высокотемпературные сверхпроводники, и их обнаружение стало значительным шагом к давней цели – сверхпроводимости при комнатной температуре.
В основе сверхпроводимости лежит явление, известное как сверхпроводящий зазор. Это свойство показывает, как электроны объединяются, образуя сверхпроводящее состояние, и служит четким признаком, отличающим сверхпроводник от обычного металла. Понимание сверхпроводящего зазора имеет решающее значение, поскольку оно напрямую отражает характер взаимодействия электронов внутри материала. Без измерения этого зазора ученые не могут полностью объяснить, почему материал становится сверхпроводящим или какой именно механизм обеспечивает исчезновение электрического сопротивления.
Несмотря на свою значимость, водородные сверхпроводники, такие как H3S, до недавнего времени было чрезвычайно сложно изучать. Эти материалы могут быть получены только при огромных давлениях, более чем в миллион раз превышающих атмосферное. В связи с такими экстремальными условиями широко используемые методы исследования, например, сканирующая туннельная спектроскопия и угловая фотоэмиссионная спектроскопия, оказываются неприменимыми. В результате сверхпроводящий зазор в этих материалах оставался неизмеренным, оставляя значительный пробел в понимании учеными того, как работает высокотемпературная сверхпроводимость в водородсодержащих соединениях.
Для решения этой фундаментальной проблемы исследователи из Института Макса Планка в Майнце разработали инновационный метод планарной электронно-туннельной спектроскопии, который способен функционировать в условиях экстремально высокого давления. Этот новый научный подход позволил впервые непосредственно исследовать сверхпроводящий зазор в H3S. С помощью данной методики команда получила ясную картину сверхпроводящего состояния в водородсодержащих материалах, преодолев существенный барьер, который годами ограничивал прогресс в этой передовой области физики и материаловедения.
Исследователи обнаружили, что H3S обладает полностью открытым сверхпроводящим зазором примерно в 60 миллиэлектронвольт (мэВ). Они также изучили его дейтериевый аналог, D3S, который показал меньший зазор – около 44 мэВ. Дейтерий, являющийся изотопом водорода, отличается от него наличием одного дополнительного нейтрона. Эта разница в размерах зазора имеет принципиальное значение, поскольку она подтверждает, что сверхпроводимость в H3S обусловлена взаимодействиями между электронами и так называемыми фононами – квантованными колебаниями атомной решетки материала. Полученные результаты убедительно подтверждают давние теоретические предсказания о механизме сверхпроводимости в водородсодержащих соединениях.
Для исследователей из Майнца это достижение выходит за рамки простого технического успеха. Оно закладывает прочную основу для раскрытия фундаментальных причин высокотемпературной сверхпроводимости в материалах на основе водорода. «Мы надеемся, что, распространив эту туннельную технику на другие гидридные сверхпроводники, можно будет точно определить ключевые факторы, которые позволяют достигать сверхпроводимости при еще более высоких температурах. В конечном итоге это должно способствовать разработке новых материалов, способных работать в более практичных условиях», – заявляет доктор Фэн Дю, первый автор опубликованного исследования. Доктор Михаил Еременц, ведущий специалист в области исследований сверхпроводимости при высоком давлении, ушедший из жизни в ноябре 2024 года, охарактеризовал это исследование как «самую важную работу в области гидридной сверхпроводимости со времени открытия сверхпроводимости в H3S в 2015 году». Василий Минков, руководитель проекта по химии и физике высоких давлений в Институте Макса Планка по химии, добавил: «Представление Михаила о сверхпроводниках, работающих при комнатной температуре и умеренных давлениях, становится на шаг ближе к реальности благодаря этой работе».
Сверхпроводимость, проявляющаяся в способности определенных материалов проводить электрический ток без сопротивления, была впервые открыта в чистой ртути в 1911 году Хейке Камерлинг-Оннесом. На протяжении многих десятилетий ученые полагали, что это явление может происходить только при температурах, крайне близких к абсолютному нулю (–273 °C). Это устоявшееся предположение изменилось в конце 1980-х годов, когда Георг Беднорц и Карл Александр Мюллер обнаружили сверхпроводники на основе оксида меди, также известные как купраты, которые демонстрировали высокотемпературную сверхпроводимость уже при нормальном атмосферном давлении. Это открытие вызвало огромную волну всемирных исследовательских усилий. Со временем ученые достигли критических температур (Tc) около 133 К при нормальном давлении и 164 К при высоком давлении. Затем, однако, прогресс в этой области застопорился, пока в поле зрения научного сообщества не появились водородсодержащие соединения.
Открытие сверхпроводимости в H3S при мегабарных давлениях с критической температурой Tc = 203 К исследовательской группой под руководством доктора Михаила Еременца ознаменовало новый поворотный момент в развитии высокотемпературной сверхпроводимости. Вскоре после этого были зафиксированы еще более высокие критические температуры в богатых водородом гидридах металлов, таких как YH9 (Tc ≈ 244 К) и LaH10 (Tc ≈ 250 К). Современные теоретические модели теперь предполагают, что сверхпроводимость выше комнатной температуры может быть возможна в некоторых системах, обогащенных водородом, при условии воздействия экстремального давления, что открывает захватывающие перспективы.
В обычных металлах электроны вблизи так называемого уровня Ферми могут свободно перемещаться. Уровень Ферми представляет собой самый высокий энергетический уровень, который электроны могут занимать в твердом теле при абсолютном нуле. Когда материал становится сверхпроводящим, вместо этого электроны образуют парные состояния, известные как куперовские пары, и переходят в коллективное квантовое состояние. В этом уникальном состоянии парные электроны движутся вместе, не рассеиваясь на фононах или примесях в кристаллической решетке, что полностью исключает электрическое сопротивление. Это спаривание создает энергетический зазор вблизи уровня Ферми, называемый сверхпроводящим зазором. Данный зазор представляет собой минимальную энергию, необходимую для разрыва куперовской пары, и играет защитную роль, стабилизируя сверхпроводящее состояние от внешних возмущений. Сверхпроводящий зазор – это определяющая характеристика сверхпроводимости. Его размер и симметрия дают критически важное представление о том, как электроны взаимодействуют и объединяются в пары, что делает его ключевым «отпечатком» основного механизма сверхпроводимости.
