Гидрид урана сделает сверхпроводники доступней
Виктория Максимчук
«Коммерсантъ Наука» №13, апрель 2019
Научная группа из России, США и Китая под руководством профессора Сколковского института науки и технологий (Сколтех) и Московского физико-технического института (МФТИ) Артема Оганова провела расчеты условий, при которых соединения урана становятся сверхпроводниками, а затем проверила эти расчеты экспериментально. Оказалось, что уран становится сверхпроводником, если присоединить к нему водород, надавить с силой в 50 тыс. атмосфер и охладить до −219°C.
Первый автор исследования, научный сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ и Всероссийского НИИ автоматики им. Н. Л. Духова (ГК «Росатом») Иван Круглов рассказал о предпосылках и перспективах синтеза сверхпроводников.
Сверхпроводники и левитация
Сверхпроводники — это материалы, которые при температуре ниже определенного значения (Тc) могут проводить ток без электрического сопротивления. Благодаря отсутствию тепловых потерь появляется возможность прохождения через сверхпроводящий материал сильных токов, создающих при этом сильное магнитное поле.
Сверхпроводники используют как мощные магниты в магнитно-резонансных томографах, «левитирующих» поездах на магнитной подушке и во всех ускорителях частиц. Еще одна область применения сверхпроводников — линии электропередачи без тепловых потерь.
Основное препятствие для реализации таких технологий в промышленных масштабах заключается в том, что материал становится сверхпроводящим только при достаточно низких температурах. Пока это обеспечивается при помощи жидкого гелия (и лишь в некоторых случаях — более дешевого жидкого азота), что довольно затратно. Поэтому сейчас перед учеными стоит задача повысить температуру перехода в сверхпроводящее состояние.
Краткая история сверхпроводимости
Явление сверхпроводимости было открыто группой голландского физика Камерлинг-Оннеса в 1911 году. Оно проявляется в полном исчезновении электрического сопротивления при понижении температуры. Первоначально сверхпроводимость была обнаружена только в некоторых металлах, таких как алюминий и ртуть, при температурах всего на несколько градусов выше абсолютного нуля (−273°C). Самые высокотемпературные на данный момент сверхпроводники, используемые в электронике, работают при температуре −183°C (а рекорд высокотемпературной сверхпроводимости, державшийся с 1993 года, равен −138°C), то есть их требуется постоянно охлаждать. В 2015 году был поставлен новый рекорд высокотемпературной сверхпроводимости, при температуре −70°C, для гидрида серы (H3S), но для этого требуется создание давления в 1,5 миллиона атмосфер.
Секрет в гидридах
У ученых давно была мечта — сжать водород под огромным давлением и получить металлический водород. По теории, он должен стать сверхпроводником с высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние. К сожалению, как раз из-за огромных давлений на настоящий момент экспериментально достаточно сложно провести его синтез, а тем более и измерить сверхпроводящие свойства.
В 1968 году американский физик Нил Ашкрофт предложил экспериментировать не с чистым водородом, а с гидридами — соединениями водорода с другим химическим элементом. В них атомы водорода будут испытывать на себе дополнительное давление благодаря химическому связыванию. В этом случае, по гипотезе Ашкрофта, можно было бы применять меньшее внешнее давление, чтобы получить металлические структуры из водорода внутри гидридов.
Первые результаты
В 2014 году вышла статья, в которой физики-теоретики исследовали с помощью созданной Артемом Огановым программы USPEX возможность превращения в сверхпроводники гидридов серы, то есть соединений типа H–S. Эта программа позволяет находить материалы с новыми свойствами, опираясь лишь на их химический состав. Расчеты показывали, что знакомый всем сероводород с запахом тухлых яиц — H2S под давлением около 200 ГПа (то есть примерно 2 млн атмосфер) будет распадаться, и вместо него возникает соединение с формулой H3S. По теории, это вещество должно было стать сверхпроводником при температурах около −73°C.
Через несколько месяцев физики-экспериментаторы подтвердили эти расчеты: при давлениях порядка 150 ГПа новый материал демонстрировал сверхпроводимость при рекордной на тот момент (2015 год) температуре в −70°C.
Началось активное изучение гидридов селена, фосфора и других элементов. Теоретически были исследованы гидриды многих элементов из таблицы Менделеева, и дошли, как говорит Иван Круглов, до актиноидов, в том числе урана.
Уран в атмосфере водорода
По его словам, теоретический расчет показал, что будет происходить с гидридом урана под давлением до 500 ГПа. Помимо известного при нормальных условиях (комнатных температуре и давлении) UH3, в расчетах появляются соединения UH5, UH6, UH7, UH8 и UH9. Всего получилось 14 новых гидридов урана, среди которых есть сверхпроводники.
«Мы удивились такой богатой химии и связались с американскими коллегами, чтобы проверить расчеты экспериментально», — вспоминает Иван Круглов. Были некоторые сложности, так как уран не так просто достать. Но как бы то ни было, в итоге предсказанные соединения были оперативно синтезированы.
Как делали сверхпроводники из урана
Эксперимент вели в так называемых алмазных наковальнях. Это герметичное устройство, в котором между двумя алмазами находится маленькая рабочая площадка. В нее помещается уран и закачивается водород. Такие ячейки собираются в лаборатории, здесь же, чтобы создать давление в наковальне, необходимо равномерно закрутить несколько винтов в ней, что делается за пару минут. Потом готовые сборки с наковальнями везут на синхротрон и там уже «докручивают» до нужных давлений. Параллельно с этим при необходимости можно еще греть лазером.
В данном случае расчеты были сделаны в Москве, а экспериментальную часть работы проводили в США, где основным руководителем эксперимента был Александр Гончаров, у которого, помимо американской, есть группа физиков в Китае, так что свою лепту в общее исследование внесли и китайские ученые.
Сера, уран, лантан
Если гидрид серы (H3S) синтезировали при давлении около 150 ГПа, то в случае с ураном гидриды начали получаться при 5–6 ГПа — давлении в 30 раз ниже. У H3S температура перехода в сверхпроводящее состояние намного выше, чем у гидридов урана: −70°C против −223–213°C. Но применение последних выглядит все-таки более перспективным в связи с еще более низкой Тс у уже промышленно используемых сверхпроводников (сплавы ниобия, Тс порядка −263–255°C).
Около двух месяцев назад группами ученых из Института Карнеги (Вашингтон, США) и Института химии им. Макса Планка (Майнц, Германия) были опубликованы две похожие статьи. Ученые экспериментально подтвердили ранее теоретически обнаруженную сверхпроводимость в гидридах лантана. Температура перехода в сверхпроводящее состояние оказалась еще выше, чем у гидрида серы, — от −58°C до −13°C, почти комнатная.
Сосед урана тоже перспективен для создания сверхпроводников
Помимо гидридов урана в лаборатории Артема Оганова в МФТИ и Сколтехе также изучались новые гидриды близкого соседа урана в таблице Менделеева — тория.
Известно, что при нормальных условиях стабильными могут быть лишь низшие гидриды тория — ThH2 и Th4H15. Совершенно иная ситуация наблюдается при экстремальном сжатии смеси тория и водорода. С помощью эволюционного алгоритма USPEX нами было показано, что под давлением стабильны новые соединения с гораздо большим содержанием водорода — полигидриды тория ThH6, ThH9 и ThH10. Расчеты показывают, что декагидрид ThH10 является сверхпроводником при давлении 80–100 ГПа с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около 220–240°К (−53–33°С), что весьма близко к комнатной температуре.
Совсем недавно нашей группой совместно с доктором И. А. Трояном из Института кристаллографии РАН и сотрудниками Европейского центра синхротронных исследований (ESRF, Гренобль) были проведены успешный синтез и идентификация всех предсказанных нами гидридов тория при давлениях выше 80 ГПа, что находится в хорошем согласии с проведенными расчетами.
Удивительно, что кубическая структура рекордно стабильного гидрида ThH10 совпадает со структурой ранее обнаруженного (теоретически, а затем экспериментально) декагидрида лантана LaH10, существующего лишь при гораздо более высоких давлениях (выше 150 ГПа). Огромный интерес к LaH10 и подобным ему гидридам обусловлен неожиданно высокими параметрами сверхпроводимости, которые превосходят характеристики всех известных ранее материалов. Так, совсем недавно группой ученых из Института Макса Планка (Майнц) был проведен эксперимент по измерению критической температуры перехода в сверхпроводящее состояние, который показал, что сверхпроводимость в LaH10 появляется уже при −15°C. Эти данные хорошо согласуются с ранее проведенными теоретическими оценками, поэтому в лаборатории А. Оганова считают, что и критическая температура недавно синтезированного нами ThH10 окажется в районе предсказанных значений — 240 К при 80 ГПа. На данный момент свойства ThH10 являются объектом пристального изучения в лабораториях России и Китая, поскольку данное соединение — это единственный известный декагидрид, стабильный при столь низких давлениях, являющийся при этом сверхпроводящим материалом.
Третий элемент
В настоящее время ученые перебрали многие бинарные системы с каким-либо элементом и водородом: уран-водород, торий-водород, сера с водородом, лантан с водородом и так далее — и стали переходить к тройным системам, в которых сочетается первый атом, второй атом и водород.
Тройные системы гораздо сложнее для теоретических расчетов. Но с точки зрения сверхпроводящих свойств они более многообещающие. Сейчас активно ведутся их теоретические расчеты, и в ближайшем будущем начнется синтез наиболее перспективных тройных систем. Возможно, как раз они решат проблему рентабельных промышленных сверхпроводников с комнатной температурой.
Одноосно сжатый образец гидрида урана в алмазной наковальне