Миллион атмосфер, но плюс 43°C: электроны скандия влияют на сверхпроводимость

Исследовательская группа из Цзилиньского университета в Чанчуне и Чжэцзянского университета в Ханчжоу (Китай) под руководством Яньмина Ма раскрыла микроскопический механизм, благодаря которому предсказанный гидрид LaSc₂H₂₄ становится сверхпроводником при температуре 43°C — пусть и под колоссальным давлением. Работа опубликована в журнале Physical Review B и предлагает теоретическую модель для будущего проектирования высокоэффективных сверхпроводящих гидридов металлов.

Мир сверхпроводников давно живет мечтой о материале, который пропускает электричество без потерь при обычной температуре. Пока рекордсмены вроде LaH₁₀ требуют давления в миллионы атмосфер и все равно работают лишь при -13°C. Но несколько лет назад теоретики предсказали, что если добавить в его водородную решетку два атома скандия, критическая температура подскочит до 43°C, а давление даже немного снизится.

Тогда оставалось загадкой: почему два посторонних атома так радикально меняют характер сверхпроводимости? Ответ, как выяснилось, кроется в электронах скандия, которые перестраивают всю электронную структуру материала.

Сверхпроводимость возникает, когда электроны объединяются в пары и начинают двигаться сквозь атомную решетку без сопротивления. В гидридах металлов это происходит благодаря колебаниям водородной решетки, которые связывают электроны. Однако в LaH₁₀ водородные слои расположены анизотропно, то есть в разных направлениях они ведут себя по-разному. Из-за этого материал становится «двухщелевым» сверхпроводником: в нем существуют два независимых канала сверхпроводимости с разными критическими температурами, и самый холодный из них тянет общий показатель вниз.

Когда в решетку встраиваются атомы скандия, картина меняется. Их 3d-электроны активно взаимодействуют с водородными клетками и перестраивают поверхность Ферми — условную границу, которая определяет, как электроны участвуют в проводимости.

Скандий заставляет одни связи между атомами водорода удлиняться, а другие сжиматься, что усиливает электрон-фононное взаимодействие и одновременно объединяет два разрозненных канала в один общий. В итоге материал переходит от анизотропной двухщелевой сверхпроводимости к изотропной однощелевой, а критическая температура поднимается до рекордных значений.

Чтобы проверить, насколько важен именно скандий, ученые попробовали заменить его кальцием и магнием. У кальция 3d-орбиталь пустая, у магния ее нет вовсе — и ни один из этих вариантов не стал сверхпроводником. Это подтвердило, что 3d-электроны скандия играют решающую роль: они не просто заполняют пространство, а создают особые связи Sc-H-Sc, которые по силе сравнимы с водородными, и тем самым «сшивают» разрозненные каналы сверхпроводимости в единую магистраль.

Следует понимать, что это еще не сверхпроводимость в бытовом смысле, хотя формально это сверхпроводимость. Дело в том, что сверхпроводимость уже есть: при температуре 43°C (по Цельсию, то есть выше комнатной) материал LaSc₂H₂₄ действительно переходит в сверхпроводящее состояние — ток течет без сопротивления, магнитные поля вытесняются. Формально это самая настоящая сверхпроводимость, и именно поэтому результат называют рекордным.

Но есть огромное «но»: это происходит только под давлением 167 ГПа — примерно 1,7 миллиона атмосфер. Это давление сравнимо с тем, что царит в центре Земли на глубине около 3 000 километров. В обычных условиях, при нормальном атмосферном давлении, этот материал сверхпроводником не становится: его кристаллическая решетка попросту рассыпается или переходит в другую фазу.

Для практики — для проводов, поездов на магнитной подушке, томографов и компьютеров нужны материалы, которые работают без сверхвысокого сжатия. Пока что ни один известный сверхпроводник не сочетает оба условия одновременно: либо высокая температура и чудовищное давление, либо низкая температура и нормальное давление.

В результате исследования китайские физики не только объяснили, почему LaSc₂H₂₄ работает лучше своего предшественника, но и сформулировали общий принцип: легирование 3d-переходными металлами — это стратегия, позволяющая получать изотропные высокотемпературные сверхпроводники в гидридах под давлением.

Иными словами, добавление правильных атомов может превратить хрупкую и капризную сверхпроводимость в устойчивую и предсказуемую, а это уже прямой путь к материалам, которые когда-нибудь будут проводить ток без потерь при комнатной температуре и нормальном давлении.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях