Для многих физиков твердого тела сверхпроводники, пригодные для использования при комнатной температуре, все еще остаются мечтой. До сих пор известно, что единственные материалы, проводящие ток без электрического сопротивления и, следовательно, без потерь, действовали только при очень низких температурах. Соответственно, специальная керамика из оксида меди, так называемые купраты, заняла лидирующие позиции по температуре перехода, т.е. температуре, при которой материал теряет сопротивление. Рекорд для керамики этого типа составляет примерно минус 140 градусов по Цельсию при нормальном давлении воздуха и минус 109 градусов по Цельсию при высоком давлении.
В керамике возникает особая, нетрадиционная форма сверхпроводимости. Для обычной сверхпроводимости до сих пор необходимы температуры минимум минус 234 градуса по Цельсию.Команда под руководством доктора Михаэля Еремеца, руководителя рабочей группы «Химия и физика высоких давлений» в Институте химии Макса Планка, работает в сотрудничестве с доктором Вадимом Ксенофонтовым и Сергеем Шилиным из Института неорганической химии и аналитической химии Университет Йоханнеса Гутенберга в Майнце теперь наблюдал обычную сверхпроводимость при минус 70 градусах Цельсия в сероводороде (H2S).
Однако, чтобы преобразовать вещество, которое при нормальных условиях представляет собой газ, в сверхпроводящий металл, ученым пришлось подвергнуть его давлению 1,5 мегабара или 1,5 миллиона бар.«С помощью наших экспериментов мы установили новый рекорд температуры, при которой материал становится сверхпроводящим», — сказал д-р Михаил Еремец. Его команда также была первой, кто экспериментально доказал, что существуют обычные сверхпроводники с высокой температурой перехода. Теоретические расчеты уже предсказывали это для некоторых веществ, включая сероводород. «Есть большой потенциал в поиске других материалов, в которых обычная сверхпроводимость возникает при высоких температурах», — подчеркнул физик. «Теоретически не существует предела для температуры перехода обычных сверхпроводников, и наши эксперименты дают основания надеяться, что сверхпроводимость может возникать даже при комнатной температуре».
Исследователи создали чрезвычайно высокое давление, необходимое для того, чтобы сделать сероводород сверхпроводящим при сравнительно умеренных отрицательных температурах в специальной камере давления размером менее одного кубического сантиметра. Два боковых алмазных наконечника, которые действуют как наковальни, могут постоянно увеличивать давление, которому подвергается образец. Ячейка снабжена контактами для измерения электрического сопротивления образца.
В другой ячейке высокого давления исследователи смогли исследовать магнитные свойства материала, которые также изменяются при температуре перехода. После того, как исследователи заполнили барокамеру жидким сероводородом, они постепенно увеличили давление, действующее на образец, примерно до двух мегабар и изменили температуру для каждого уровня давления. Они провели измерения как сопротивления, так и намагниченности, чтобы определить температуру перехода материала. Измерения намагниченности дают очень полезную информацию, потому что сверхпроводник обладает идеальными диамагнитными свойствами.
Таким образом, д-ру Вадиму Ксенофонтову и Сергею Шилину из Института неорганической химии и аналитической химии Майнцкого университета удалось получить доказательства того, что используемый механизм можно описать как обычную сверхпроводимость. Они провели магнитный анализ высокого давления, чтобы измерить эффект Мейснера.
Для этого эксперимента были разработаны специальные ячейки высокого давления, позволяющие с большой точностью определять конкретные параметры магнитного поля.Исследователи считают, что в основном атомы водорода ответственны за потерю электрического сопротивления сероводорода под высоким давлением при относительно высоких температурах: атомы водорода колеблются в решетке с самой высокой частотой среди всех элементов, потому что водород самый легкий. Поскольку колебания решетки определяют обычную сверхпроводимость — и делают это тем эффективнее, чем быстрее колеблются атомы, — материалы с высоким содержанием водорода демонстрируют относительно высокую температуру перехода.
Кроме того, прочные связи между атомами повышают температуру, при которой материал становится сверхпроводящим. Эти условия выполняются в H3S, и именно это соединение образуется из H2S при высоком давлении.
Исследователи из Майнца сейчас ищут материалы с еще более высокими температурами перехода. Повышение давления на сероводород выше 1,5 мегабар в этом случае бесполезно. Это было не только рассчитано физиками-теоретиками, но теперь также подтверждено в экспериментах, проведенных командой в Майнце.
При еще более высоких температурах электронная структура изменяется таким образом, что температура перехода начинает уменьшаться. «Очевидным кандидатом на высокую температуру перехода является чистый водород», — сказал Ереметс. «Ожидается, что он станет сверхпроводящим при комнатной температуре под высоким давлением». Его команда уже начала эксперименты с чистым водородом, но эксперименты очень трудны, поскольку требуют давления от трех до четырех мегабар.
«Однако наши исследования сероводорода показали, что многие материалы, богатые водородом, могут иметь высокую температуру перехода», — резюмировал Ереметс. Возможно, даже удастся реализовать высокотемпературный сверхпроводник, достойный названия с точки зрения обычного восприятия температуры, без высокого давления. В настоящее время исследователям из Майнца требуется высокое давление для преобразования материалов, которые обладают электроизоляционными свойствами, такими как сероводород, в металлы. «Могут существовать полимеры или другие соединения, богатые водородом, которые можно каким-либо другим способом превратить в металлы и стать сверхпроводящими при комнатной температуре», — сказал физик.
Если такие материалы будут найдены, мы наконец получим сверхпроводники, которые можно будет использовать в широком спектре технических приложений.