Горещ свръхпроводник под високо налягане
15 октомври 2020 г. - При стайна температура съдържащият въглерод серен хидрид в диамантена наковална клетка показва ток без проводимост.
В продължение на десетилетия физиците в твърдо състояние търсят свръхпроводници с все по-високи температури на преход. Керамичните медни оксиди преминават в свръхпроводящо състояние при нормално налягане от 138 Келвина. От друга страна, при високо налягане, богатите на водород съединения достигат дори по-високи температури на преход. Сега физиците, работещи с Ранга Диас от университета в Рочестър, успяха за първи път да разработят свръхпроводник при студена стайна температура от 288 Келвина. За целта обаче съдържащият въглерод серен хидрид трябваше да бъде компресиран в диамантена клетка с 267 гигапаскала.
Диас и колегите му фокусираха своите изследвания върху водорода. „Защото, за да получите свръхпроводник за високи температури, се нуждаете от здрави връзки и леки елементи“, казва Диас. Молекулите на водорода с техните силни химически връзки отговарят точно на тези условия. Тъй като чистият водород е трудно да се превърне в метално състояние дори под високо налягане, изследователите синтезират сярно съединение, което е богато на водород и съдържа също въглерод. За целта първо притискат елементарна сяра и въглерод заедно в балансирано моларно съотношение в диамантената клетка. След това те оставят водороден газ да тече около тази проба. Фотохимичният процес стартира под лазерна светлина, която след това произвежда богатия на въглерод серен хидрид.
За да се превърне този материал в свръхпроводник, бяха необходими изключително високи налягания. Поради това Диас и колеги са упражнявали натиск до 267 гигапаскала върху пробата - това е приблизително 2,5 милиона пъти по-голямо от атмосферното налягане. Под това налягане електронните свойства на материала се променят драстично. Сярният хидрид показва ток без устойчивост на проводимост на ток дори при 287,7 Келвина - т.е. при около стайна температура - което може да се измери със свързани платинени електроди. В друг тест за свръхпроводник изследователите търсят диамагнитен преход в магнитната чувствителност. С увеличаване на налягането, явното намаляване на чувствителността се измества към по-високи и по-високи температури. Те демонстрираха най-високата температура на преход при 198 Келвина и налягане от 189 гигапаскала. Дори по-високи налягания не биха могли да се натрупат експериментално при този тест за магнитно поле поради малкия размер на пробата от 25 до 35 микрометра.
Този експеримент показва, че богатите на водород съединения всъщност формират основата за все по-горещи метални свръхпроводници. Преди това работната група на Михаил Еремец от Института по химия на Макс Планк в Майнц държеше температурния рекорд. В експеримент с високо налягане миналата година те също така показаха, че лантановият хидрид (LaH10) вече не показва електрическо съпротивление при критичната температура от минус 23 градуса по Целзий и 170 гигапаскала. Тъй като свръхпроводимостта не може да бъде ясно демонстрирана само с измервания на съпротивление, изследователите са направили и допълнителни измервания на магнитното поле. Те наблюдават, че магнитното поле нарушава свръхпроводимостта, измествайки прехода към по-ниски температури.Няколко години по-рано Еремец и колегите му са открили, че сероводородът става свръхпроводящ при налягане от 250 гигапаскала при минус 70 градуса по Целзий.
Въпреки високата температура на преход, новият богат на въглерод серен хидрид също не е подходящ за електропроводи. Тъй като технически толкова високо налягане може да се постигне само с малки проби в диамантени наковални клетки. И все пак Диас е оптимист, че е на прав път със своите богати на водород съединения. Чрез промяна на състава на хидридните съединения той се надява да успее да се доближи до свръхпроводник при стайна температура и в същото време при все по-ниски налягания. Ако това успее, това не само ще привлече електропроводи без загуби, които биха могли да спасят голям брой електроцентрали. Такива горещи свръхпроводници биха могли да представляват интерес и за влакове с магнитна левитация, по-мощни магнитно-резонансни томографи и дори специални видове квантови компютри.