Новый сверхпроводник: первые подробности

Исследовательская группа из университета канадской провинции Саскачеван под руководством Джона Цзе (John Tse) совместно с коллегами из Германии под руководством Михаила Еремеца (Mikhail Eremets) из института Макса Планка обнаружили принципиально новое семейство сверхпроводников. Открытие позволит не только расширить представление о механизмах обеспечения эффекта сверхпроводимости, но и способствовать внедрению сверхпроводящих технологий в промышленности.

Ранее высказывалось предположение о том, что водород при высоком давлении и переходе в твердую фазу способен становиться металлом со сверхпроводящими свойствами. Впервые эта гипотеза была высказана в 1935 г. физиками-теоретиками Юджином Вигнером (Eugene Wigner) и Г.Хантингтоном (H.B. Huntington). Они оценили, что для такого перехода требуется давление порядка 25 ГПа (250 тыс. атм).

По мере развития физики высоких давлений оказалось, что эта оценка явно занижена. Лишь в 1996 г. удалось случайным образом синтезировать металлический водород в американской национальной лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе. При давлении в 1,4 млн. атм и температуре порядка тысячи кельвинов в течение нескольких микросекунд проводимость образца упала практически до нуля.

С тех пор во многих лабораториях были предприняты попытки получить стабильное металлическое состояние водорода при высоких давлениях и температурах, близких к комнатным, однако достоверных результатов, подтверждающих возможность существования металлического водорода в этих условиях, получено не было.

Канадский физик-теоретик Джон Цзе предложил вместо чистого водорода сжимать его соединение с кремнием - силан SiH4, который является полным структурным аналогом метана СН4. Идея д-ра Цзе заключалась в том, что в силане водород уже существует в таком состоянии, которое достигается при немалом внешнем давлении, так что потеря электронов может произойти при меньших температурах и давлениях. Д-р Цзе и его аспирант Яо Янсун (Yansun Yao) разработали теорию перехода водорода в силане в металлическое состояние.

Экспериментальная часть работы была проведена в институте Макса Планка Михаилом Еремецом и его коллегами И.Трояном и С.Медведевым. В эксперименте сжимали силан вплоть до давлений порядка 100 ГПа, температура при этом изменялась в диапазоне от нескольких кельвинов до 300 К.

Основным результатом работы, опубликованной в журнале Science, является наблюдение перехода силана в металлическое состояние при при достижении давления 50 ГПа, при этом, по данным рентгеновского дифрационного анализа, металлическая фаза имеет гексагональную структуру с плотной упаковкой, обеспечивающей высокую концентрацию атомов водорода и создающей условия для проводимости в трех измерениях. Переход в сверхпроводящее состояние наблюдался при температуре около 17 К и давлениях 96 ГПа и 120 ГПа.

Еще одним важным экспериментальным фактом оказалось наблюдение стабильности силана (отсутствия образования отдельной фазы кремния) при нагреве образца до 300 K при давлении 120 ГПа. Однако если давление поддерживается на уровне менее 50 ГПа, нагрев от криогенных температур до комнатных приводит к разложению силана на кремний и водород.

Авторы работы надеются, что сверхпроводники на основе гидридов смогут работать при более высоких температурах, чем ныне изученные сверхпроводники - и, возможно, даже при комнатной температуре.