Исследователи из Института Макса Планка по химии в Майнце (Max Planck Institute for Chemistry) и Иоганна Гутенберга г. Майнц (Johannes Gutenberg University Mainz) в Германии наблюдали переход сероводорода в сверхпроводящее состояние при – 70 0С, когда вещество находилось под давлением 1,5 млн бар. Такое давление соответствует половине давления ядра Земли. Таким образом, исследователи не только установили новый рекорд для сверхпроводимости, но также их результаты подтвердили потенциал нового способа передачи электричества при комнатной температуре без потерь. Их научная статья "Сверхпроводимость при 203 К при высоких давлениях" была опубликована в журнале Nature 17 августа 2015 года.
До сих пор специальная керамика, так называемые купраты, заняла лидирующие позиции по температуре сверхпроводящего перехода, которая составляет около – 140 0С при нормальном давлении воздуха и – 109 0С при высоком давлении. Для обычных сверхпроводников температура перехода до сих пор составляла, по меньшей мере, – 234 0С.
Команда исследователей во главе с доктором Михаилом Еремецом уже сейчас наблюдают сверхпроводимость при температуре – 70 0С в сероводороде (H2S). Чтобы преобразовать вещество, которое является газом при нормальных условиях, в сверхпроводник его необходимо подвергнуть давлению 1,5 Мбар.
"В нашем эксперименте мы установили новый рекорд температуры, при которой материал становится сверхпроводящим," сказал д-р Михаил Еремец. Его команда также впервые доказала в эксперименте, что существуют обычные сверхпроводники с высокой температурой перехода. Теоретические расчеты уже предсказывали это для некоторых веществ, включая сероводород. "Есть все предпосылки для поиска и других материалов, в которых обычная сверхпроводимость происходит при высоких температурах," - подчеркнул физик.
Исследователи переводили сероводород в сверхпроводящее состояние при сравнительно умеренных отрицательных температурах в специальной камере меньше одного кубического сантиметра в объеме при чрезвычайно высоком давлении. Два алмазных наконечника на сторонах выступают в роли наковальни и способны постоянно увеличивать давление на образец. Также ячейка снабжена контактами для измерения электрического сопротивления образца. В другой камере высокого давления исследователи смогли исследовать магнитные свойства материала, которые также изменялись при температуре перехода.
Измерительная ячейка для создания высокого давления.
Исследователи полагают, что в основном за потерю электрического сопротивления под высоким давлением при относительно высоких температурах в сероводороде ответственны атомы водорода: атомы водорода колеблются в решетке с самой высокой частотой из всех элементов, поскольку водород является самым легким. Колебания решетки влияют на переход в сверхпроводящее состояние, материалы с высоким содержанием водорода демонстрируют относительно высокую температуру перехода. Кроме того, сильные связи между атомами повышают температуру, при которой материал становится сверхпроводящим. Эти условия наблюдаются в H3S, именно это соединение получается из H2S при высоком давлении.
Исследователи в настоящее время уже ищут материалы с еще более высокой температурой перехода. Повышение давления на сероводород выше 1,5 Мбар в данном случае не оказывает положительного эффекта. Это не только было рассчитано физиками-теоретиками, но теперь также подтверждается и в экспериментах. При еще более высоких температурах электронная структура изменяется таким образом, что температура перехода начинает уменьшаться. Исследователи считают, что очевидным кандидатом на высокую температуру сверхпроводящего перехода является чистый водород. Команда уже начала экспериментировать с чистым водородом, но эти эксперименты очень сложны, поскольку требуют давление от 3 до 4 Мбар.
Источник: A. P. Drozdov, M. I. Eremets, I. A. Troyan, V. Ksenofontov, S. I. Shylin. Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system . Nature, 2015; DOI: 10.1038/nature14964.