http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=cb75949f-5b0a-4632-b2b2-59de64e53c14&print=1© 2024 Российская академия наук
Исследования российских ученых могут стать прорывом в области сверхпроводимости
Движение электрического тока без какого-либо сопротивления - одна из самых заманчивых задач науки. Ее решение сулит огромную экономию энергии, в частности, при ее транспортировке по линиям электропередачи. Над ней ученые многих стран бьются с тех пор, как голландец Камерлинг-Оннес в 1911 году открыл явление сверхпроводимости. С одной стороны, можно сказать, что эта атака идет вполне успешно. Ведь исследования по сверхпроводимости являются одними из лидеров по числу Нобелевских премий по физике, за них вручено пять престижных научных наград, в том числе и россиянам Виталию Гинзбургу и Алексею Абрикосову.
Но, с другой стороны, этот феномен очень капризен, начинает "работать" только при экстремально низких температурах. Сверхпроводимость была обнаружена при абсолютном нуле (-273 °C). С тех пор ученые перепробовали различные сочетания почти всех элементов таблицы Менделеева в попытке снизить этот порог. Сегодня рекорд в лаборатории минус 130 °C.
Но все это далеко от манящей цели - "комнатной" сверхпроводимости. Когда сопротивление исчезнет при "человеческих" температурах. Серьезным шагом к этой цели может стать исследование физиков под руководством профессора Сколтеха и МФТИ Артема Оганова. Кстати, этот ученый с мировым именем вернулся в Россию, сделав успешную карьеру на Западе. Он успел получить степень доктора наук в Швейцарии, переехать в США, где возглавил лабораторию, стать членом Европейской академии наук, обладателем множества наград.
То, чем занимается Оганов, некоторые ученые называют шаманством. Он вычисляет новые материалы с помощью компьютера. Разве это возможно? Ведь даже два химических элемента могут давать множество самых разных соединений, а уж кристаллических структур вообще бесчисленное количество. Как в этом море выявить нужные? И здесь своеобразной "отмычкой" служит алгоритм USPEX, который в свое время был разработан Артемом Огановым. Он позволяет предсказывать стабильные соединения из различных химических элементов.
- Мы разбирались, каковы могут быть гидриды урана, его соединения с водородом, - сказал он корреспонденту "РГ". - В принципе, такие задачи УСПЕХ "раскалывает" довольно просто. Но результат оказался удивительным. Из компьютера посыпалась куча новых гидридов, о существовании которых никто не подозревал, - UH7, UH8, UH9, U2H13 и U2H17. Но самое главное - их очень любопытная структура. Именно она навела на мысль, а не могут ли эти гидриды быть сверхпроводниками.
Версия, на первый взгляд, неожиданная. Ведь сегодня известно море самых разных гидридов, но не о какой их сверхпроводимости речи не идет. Почему же "клюнул" Оганов? "Тут было несколько наводок, - объясняет он. - Еще в 60-х годах советские и американские физики гнались за чистым металлическим водородом, надеясь с его помощью получить сверхпроводимость даже при комнатной температуре. На это указывала теория. Но она же говорила, что для этого требуется фантастическое давление 5 миллионов атмосфер. Даже если удастся получить такой водород, то размером в несколько микрон. Что с ним делать?"
Казалось бы, тупик. Но ученые не отступали, и была высказана новая гипотеза. Не будем гнаться за чистым металлическим водородом, это недостижимо и ненужно. А что если к нему добавить немного примеси? Возможно, эффект "комнатной" сверхпроводимости будет достигнут при меньших давлениях. И это удалось китайским ученым. В 2015 году для гидрида серы (H3S) был поставлен рекорд высокотемпературной сверхпроводимости при температуре -70 °C. Правда, чтобы получить такой материал, требуется давление в 1,5 миллиона атмосфер. Конечно, это не 5 миллионов, но все же очень высокое. И когда давление снимается, сверхпроводник распадается.
- Главное, что в этом гидриде мало серы и много водорода, - говорит Оганов. - Аналогичная картина была в полученных нами на компьютере гидридах урана. Скажем, в UH7, UH8 урана около 10 процентов, а 90 водорода. Это шанс достичь сверхпроводимости, и мы взялись за формулы. Расчет ведется, зная кристаллическую структуру материала, по известным приемам, за которые, кстати, тоже была вручена Нобелевская премия.
Итог? Лучшим из семейства гидридов сверхпроводником оказался уран UH7. Он устойчив при давлении в 220 тысяч атмосфер, а сверхпроводящие свойства появляются при температуре -219 градусов Цельсия. Затем многие из гидратов, в том числе и UH7 были получены в экспериментах группы профессора Александра Гончарова из Института Карнеги в Вашингтоне и Института физики твердого тела Китайской академии наук.
- Вдохновившись этими результатами, мы обратили внимание на другие элементы. В частности, показали, что сверхпроводимость в гидридах тория будет наступать при давлении в миллион атмосфер и температуре -83 °C. А у гидрида актиния температура сверхпроводимости составляет вообще около минус 43 °C, - говорит Артем Оганов.
Эти работы дали направление для поисков нового класса высокотемпературных сверхпроводников, которые можно получить при низких давлениях. Один из возможных способов, по словам Оганова, это легирование соединений урана другими элементами.