28 сентября 2020, понедельник, 05:46
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.ДзенОдноклассники

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

Лекции
хронология темы лекторы

Лекция: на пороге комнатной сверхпроводимости

Photo by Roman Mager on Unsplash
Photo by Roman Mager on Unsplash

Артём Оганов — химик, кристаллограф-теоретик, профессор РАН и Сколтеха, действительный член Европейской Академии и Королевского Химического общества.

В лекции он рассказывает о недавнем открытии российских физиков: недавно они выявили ранее неизвестный принцип, который связывает сверхпроводящие свойства соединений водорода и других элементов c местом последних в периодической таблице Менделеева. Его открытие приблизит создание материала, который смог бы сохранять подобные свойства при комнатных температурах.

Предыдущие онлайн-лекции — разговоры с Ильей Хржановским, Александром Аузаном, Маратом Гельманом, Леонидом Вальдманом и другими — вы можете посмотреть на нашем YouTube-канале. Также за расписанием онлайн-лекций можно следить на нашем сайте. 

Оганов: Добрый вечер, друзья. Мне всегда очень приятно читать лекции для Полит.ру, а сегодня и повод есть хороший: подвести предварительные итоги поиска, который недавно принял взрывной, лавинообразный характер — поиска комнатной сверхпроводимости.

Это старая задача. Сверхпроводимость была открыта чуть больше 100 лет назад, это открытие тогда потребовало методов глубокого охлаждения, первый сверхпроводник должен был быть охлажден до 4 К, то есть –269 °С. Это близко к абсолютному нулю. В дальнейшем были найдены всё более и более высокотемпературные сверхпроводники. Так, в середине 1980-х были открыты сложные оксиды меди, которые оказались высокотемпературными сверхпроводниками. К слову, высокотемпературными называются те вещества, которые сверхпроводят при температуре жидкого азота или выше, то есть 77 К или –196 °С и выше. Это высокотемпературная сверхпроводимость, хотя 77 К или –196 °С — это всё еще довольно глубокое охлаждение.

Мы же хотим — да и всегда люди хотели — сделать такие сверхпроводники, которые не требуют вообще никакого охлаждения и могли бы работать при комнатной температуре. Может быть, это звучит как фантастика для тех, кто не слышал о самых последних прорывах, но человечество уже приблизилось к комнатной сверхпроводимости. И почти-комнатная сверхпроводимость уже является фактом, доказанным экспериментально. Но сначала это было предсказано теоретически, с помощью методов, созданных мною. Про всю эту историю я вам и расскажу.

Напомню, что технологии, которые мы создаем, основаны на материалах и на их свойствах. Если вы хотите создать новую прорывную технологию, почти наверняка камнем преткновения будет отсутствие материала с нужными вам свойствами. Вам придется улучшить свойства существующих материалов.

Сверхпроводимость, как я уже сказал, это низкотемпературное явление, квантовое по своей природе и весьма деликатное, основанное на достаточно слабых эффектах, которые разрушаются температурой и магнитным полем. Здесь вы видите график удельного сопротивления высокотемпературного сверхпроводника с температурой сверхпроводимости 93 К. Вы видите, что при охлаждении, когда мы двигаемся справа налево в этом графике, сопротивление постепенно падает, а при достижении температуры сверхпроводящего перехода — 93 К — резко обрушивается в ноль. Это действительно ноль. Во всяком случае, эксперименты показывают, что с любой точностью, которой может достигнуть эксперимент, это действительно ноль.

Это значит, что в таком материале ток не будет затухать, это значит, что вы можете передавать электричество без потерь. Не будет сопротивления, которое подчиняется закону Ома, будет огромная экономия энергии. Конечно, если не учитывать, что вам, прежде всего, нужно потратить энергию на охлаждение сверхпроводника. 

Тем не менее даже сейчас, когда комнатная сверхпроводимость еще не достигнута, и давным-давно, даже когда о комнатной сверхпроводимости, по сути, речи не было, у сверхпроводников в силу их экзотических свойств была масса применений. Если вы делаете магнитно-резонансную томографию, то знайте, что томограф генерирует очень сильное магнитное поле именно благодаря сверхпроводникам. Сверхпроводящие катушки, охлажденные, разумеется, до нужной температуры, генерируют самые сильные магнитные поля, доступные человечеству. Масс-спектрометрия требует также сильных магнитных полей, которые тоже можно генерировать в том числе сверхпроводящими катушками. Ускорители частиц, источники синхротронного излучения или Большой адронный коллайдер — все они используют сверхпроводящие катушки для создания магнитных полей, которые и отклоняют заряженные частицы. Поезда на магнитной левитации, технология будущего — высокоскоростные и очень безопасные поезда — требует сильных магнитных полей. Лучший способ их генерирования — сверхпроводящие катушки. Радиоволновые, микроволновые фильтры (например, для технологии 5G и прочих) тоже требуют высокопроводящих материалов, и один из вариантов — это сверхпроводники. Но вот беда: их надо охлаждать. Поэтому очень часто вместо сверхпроводников пользуются обычными металлами, но наилучший результат был бы именно со сверхпроводниками.

Для химических элементов сверхпроводимость достижима только при очень-очень низких температурах. Даже алюминий является сверхпроводником, но при сверхнизких температурах. Ртуть, первый открытый сверхпроводник, сверхпроводит при температурах ниже 4 К, как я уже упоминал, то есть –269 °С. У двойных или, как химики говорят, бинарных соединений значительно большие температуры сверхпроводимости. Для элементов наибольшая температура — у ниобия (9 К), для бинарных соединений — где-то до 40 К. А для тройных соединений или, как химики скажут, тернарных, или более сложных соединений — четверных, кватернарных, температуры уже гораздо-гораздо больше. И рекордная температура сверхпроводимости — 135 К. Запомните эту цифру, этот рекорд держался более 20 лет. И недавно этот рекорд был побит почти в два раза.

Итак, немножко истории. В 1911 году голландский ученый Хейке Камерлинг-Оннес, делая всевозможные измерения при сверхнизких температурах (он был тогдашним чемпионом по созданию низких температур и воспользовался этим для измерения самых разных свойств при низких температурах), обнаружил уменьшение электросопротивления до нуля в некоторых веществах. Объяснения этому долгое время не могли найти. Важной вехой, но не давшей пока объяснения, была теория Гинзбурга и Ландау, а вот объяснение было дано теорией трех американцев: Бардина, Купера и Шриффера. Джон Бардин, кстати, является дважды Нобелевским лауреатом по физике: еще одну Нобелевскую премию он получил за открытие транзистора. Две совершенно разные, но великие работы. Бардин, Купер и Шриффер связали сверхпроводимость с особым взаимодействием между электронами, которое осуществляется посредством колебаний решетки. Колебания решетки позволяют двум электронам образовывать такую странную, слабенькую электронную пару, которая движется как единое целое. И, в отличие от одиночных электронов, подчиняется совсем другой квантовой статистике. И на этом основано явление сверхпроводимости. Поскольку связь между этими электронами, осуществляемая колебаниями решетки, очень слабая, сверхпроводимость и разрушается очень легко температурой или магнитным полем.

Были и дальнейшие открытия. Купратные сверхпроводники, сверхпроводники на основе сложных оксидов меди, были открыты в середине 1980-х гг. Беднорцем и Мюллером. Вообще эти соединения, купраты, были известны давно, но никому и в голову не могло прийти, что они могут быть сверхпроводниками, а уж тем более высокотемпературными. Беднорц и Мюллер неожиданно обнаружили такую сверхпроводимость и получили за это Нобелевскую премию. Кстати говоря, природа сверхпроводимости этих купратных сверхпроводников до сих пор не вполне понятна. Понятно одно: что она не сводится к роли колебания решетки, там есть и какие-то другие эффекты. В настоящее время никто не может предсказывать температуру сверхпроводимости и другие свойства таких сверхпроводников. Долгое время рекорд, который был поставлен на одном из купратов в начале 1990-х (те самые 135 К), держался. 

В 2001 году было неожиданно обнаружено, что диборид магния (тоже вещество, которое было известно почти 200 лет) вдруг оказалось прекрасным сверхпроводником, и описывается он традиционным механизмом взаимодействия электронов с колебаниями решетки. А в 2014 году началась эпопея, о которой сейчас я вам и расскажу: эра гидридных сверхпроводников. Вообще, начало этой эры было положено на много десятилетий раньше, когда советские и американские ученые интенсивно публиковали работы о металлическом водороде и пытались его изучить теоретически и создать экспериментально. Были теоретические оценки, что водород будет не только комнатным сверхпроводником, но и сверхпроводником при температурах порядка 600 К. Ну, в сильно сжатом, твердом состоянии. В обычном состоянии водород, понятно, это газ. Но если вы сдавите водород до давлений в несколько млн атмосфер, он станет металлом и будет сверхпроводником — где-то около комнатной температуры, а может быть, даже и до 600 К. Так говорили старые теории прошлого века.

По нынешним оценкам, водород становится металлом и, возможно, сверхпроводником при слишком уж высоких давлениях — порядка 4 или 5 млн атмосфер, и давление этой металлизации можно понизить, если добавить к водороду небольшое количество какого-то другого элемента, в особенности металла. Этот элемент отдаст часть своих электронов водороду, что поможет ему стать металлом. Ученые стали экспериментировать, изучая разные гидридные системы. И получилось много интересных открытий.

Долгое время считалось, что предсказывать кристаллические структуры невозможно. Когда в 2005 году я и мой ученик разработали метод предсказания кристаллических структур, это породило целую лавину работ, применения и дальнейших разработок этого метода, и появление новых методов. Впрочем, до сих пор наш метод является самым быстрым и самым широко используемым из всех существующих методов предсказания кристаллических структур из первых принципов. Вообще предсказание кристаллических структур — это тоже богатая история, которую можно проследить с работы Кеплера, его полушутливого трактата «О природе шестиугольных снежинок», где Кеплер попытался — успешно попытался, в общем-то — объяснить гексагональную симметрию снежинок внутренним строением кристаллов льда. Позже, в XIX веке, успешные предсказания структуры вещества делались химиками-органиками. Наиболее ярким предсказанием такого типа является озарение Кекуле, когда он смог интуитивно понять строение молекулы бензола. А вот для кристаллов первым успешным предсказанием, или интуитивным озарением, была модель структуры каменной соли, которую предложил эксцентричный английский ученый Уильям Барлоу. Брэгги, определившие структуру каменной соли, знали о модели Барлоу и никогда этого не скрывали, и поэтому их работу правильно называть не расшифровкой структуры каменной соли, а подтверждением модели Барлоу для структуры этого вещества. Можно сказать, что Барлоу был первым человеком, который смог корректно представить себе структуру кристалла. 

Но предсказанием кристаллических структур мы это все-таки не называем, потому что это было сделано исходя из каких-то эстетических, интуитивных соображений. Мы же говорим о предсказании структур на основе строгих физических принципов. Строгим физическим принципом является минимизация энергии, когда вы предсказываете такое расположение атомов, при котором энергия минимальна, а это и есть наиболее стабильное состояние вещества. Перебрать все возможные варианты расположения атомов в пространстве невозможно: их астрономически много. Но, как выяснилось, перебирать и не нужно. Мы создали эволюционный алгоритм, который не пытается перебрать все возможные решения, а бегло прощупывает пространство возможных решений, определяет наиболее перспективную область и шаг за шагом фокусируется на этой области пространства поиска и находит оптимальное решение, то есть структуру с наименьшей энергией за конечное и достаточно короткое время. Это, кстати, урок для многих людей, которые планируют заниматься наукой. Нерешаемых задач, вероятно, нет. Задача, которая считалась нерешаемой ввиду бесконечного множества возможных вариантов решения, оказалась вполне решаемой. Будьте смелее — такой урок здесь.

Этот метод был положен в основе программы USPEX, которую сделали я и мои ученики. Программа доступна бесплатно для всех университетов и научных институтов. В нашей программе поиск стабильной кристаллической структуры осуществляется благодаря сочетанию нашего эволюционного алгоритма с квантово-механическими расчетами.

Квантово-механические расчеты достаточно дорогие с точки зрения вычислительного времени, но, к счастью, их можно заменить на машинное обучение, на расчеты с помощью искусственного интеллекта (ИИ). Мы это показали в нашей недавней работе с замечательным молодым профессором Александром Шапеевым из моего института, который разрабатывает такие методы. В моей лаборатории мы тренируем модель ИИ на небольшом числе квантово-механических расчетов, и затем квантово-механические расчеты становятся не нужны, можно определять энергии структур и силы, действующие на атом, что называется, на лету, очень быстро, с помощью модели ИИ. Ускорение, которое вы при этом получаете, — от 100 до 10 000 раз. То, что раньше требовало суперкомпьютера, сейчас во многих случаях может делаться на обычном, бюджетном компьютере.

Мы научились предсказывать не только структуру для заданного химического вещества, но и стабильные химические формулы. Например, вопрос из моего детства: стабильный хлорид натрия — это NaCl. Почему не Na2Cl, например, или NaCl2? Кто может дать ответ на этот вопрос? Любой химик скажет, что у натрия валентность 1, у хлора валентность 1, поэтому сочетаться они могут только в пропорции 1:1. Ионная связь, большая разность электроотрицательностей, поэтому натрий будет положительно заряженный, хлор — отрицательно, у натрия заряд +1, у хлора –1, электронейтральность дает вам только этот состав: NaCl. Другие составы невозможны.

Но что значит «невозможны»? Я могу взять листочек бумаги, нарисовать там структуру, состав которой будет не NaCl, а например Na3Cl. Почему бы нет? Я могу такую структуру дать компьютеру. Квантово-механический расчет даст мне энергию этой структуры. Она будет не бесконечной. Она будет на какую-то конечную величину выше энергии стабильного состояния. А теперь представьте себе, что мы меняем условия: давление, температуру, электрические, магнитные поля. И эта энергия нестабильности, та самая энергия, которая делает мое гипотетическое вещество невозможным, будет либо увеличиваться (в таком случае оно станет еще более невозможным), либо уменьшаться. И при какой-то величине, например, давления мое вот это вот невозможное вещество станет устойчивым. И в таком случае его можно будет получить экспериментально.

Вопрос: происходит это или нет? Этот вопрос у меня был еще со школьных времен. Тогда у меня не было возможности ответить на этот вопрос, мне пришлось ждать много лет, чтобы разработать этот метод, который помогает отвечать на этот и многие другие вопросы. И ответ оказался очень интересным. 

Итак, одним расчетом мы теперь можем накрывать целую область составов, автоматически предсказывая, какие из них являются стабильными. Для системы натрий-хлор при низких давлениях только соединение с соотношением 1:1 (NaCl) стабильно, это мы и так знали, и квантово-механический расчет правильно это предсказывает. Но когда вы повышаете давление, возникают странные составы, такие, как NaCl3, Na4Cl3, NaCl7, Na2Cl, Na3Cl и так далее. Вещества, которые, вообще говоря, запрещены классической химией. Но правила классической химии были сформулированы на основе экспериментальных данных при атмосферном давлении, которое близко к нулю. Здесь же мы говорим о давлениях гораздо более высоких и теперь достаточно легко получаемых экспериментально. И экспериментаторы, которым я показал наши результаты, подтвердили наше предсказание. Вещество NaCl3 действительно существует, равно как и Na3Cl.

Почему именно эти соединения существуют, мы до сих пор не понимаем. Почему Na3Cl, а не Na4Cl, никто не знает. Возможно, здесь кроются какие-то новые правила химии, которые мы пока еще не понимаем. Когда-нибудь, может быть, поймем. 

В общем, возникают необычные химические соединения. Когда возникают необычные химические соединения, со странными составами и странной структурой, мы вправе ожидать необычных физических и химических свойств. Именно так и происходит. Мы обнаружили, что под высоким давлением — но, опять же, вполне достижимым экспериментально, порядка 1 млн атмосфер — натрий и гелий вступают в химическую реакцию. До сих пор ведь считалось, что гелий — самый инертный элемент таблицы Менделеева. Но, оказывается, не так уж он и инертен. Вслед за этой работой пошли и другие работы, которые доказали, что гелий вступает во множество химических реакций. И не только с натрием и оксидом натрия (оба были исследованы в нашей работе), но также и со льдом, оксидом кремния, фторидами магния и кальция. И, видимо, с множеством других соединений. Так что гелий совсем не такой инертный, как нам казалось.

Самый экзотический результат был получен китайскими исследователями, которые с помощью нашей программы изучали систему сера-водород. Cероводород, H2S, вещество, которое дает неприятный запах тухлым яйцам, под давлением становится нестабильным и разлагается, а стабильным оказывается соединение с неожиданным составом: H3S. И это соединение является высокотемпературным сверхпроводником. Буквально минуту назад я вам говорил, что если у вас есть соединение с необычным химическим составом и необычной кристаллической структурой, вы вправе ожидать самых необычных физических свойств. Так и оказывается. H3S, необычное соединение, оказывается высокотемпературным сверхпроводником. Китайские ученые предсказали, что это вещество (правда, под высоким давлением, в 1,5–2 млн атмосфер) будет иметь сверхпроводимость при 200 К. 200 К — это –73 °С. Такие температуры уже есть на Земле: в Антарктиде, в Якутии. И это уже огромный шаг к комнатной сверхпроводимости. Раньше рекордом высокотемпературной сверхпроводимости было 138 К (а под давлением — 166 К), и вот такой большой прыжок совершен в 2014 году — до 200 К. 

Годом позже это предсказание было блестяще подтверждено работами российских экспериментаторов, часть которых работает в России, часть — в Германии. Они доказали, что H3S под давлением имеет сверхпроводимость вплоть до 203 К, то есть –70 °С. Рекорд сверхпроводимости был побит. Но не окончательно. Этот рекорд будет еще побит, и не раз.

Вкратце расскажу вам о том, как такого рода эксперименты при высоких давлениях делаются. Берется пара алмазов с плоскими вершинками, между ними помещается металлическая прокладка. Между этими вершинками в дырочку металлической прокладки помещается образец. Вместе с образцом помещается маркер давления, по которому вы определяете, какое давление испытывает ваш образец. Туда же, в эту маленькую дырочку в металлической фольге, могут добавляться и другие вещества: например, поглотитель лазерного излучения для нагревания образца, а весь образец может помещаться в вещество, которое делает давление, более гидростатическим, более равномерно распределенным и всесторонним. Размер образца здесь составляет микроны, максимум — 100–200 мк, это диаметр этой дырочки в металлической фольге. Огромное искусство экспериментаторов — помещать, загружать туда образец. Это требует исключительной ловкости, опыта и твердости рук. 

Такого рода маленькие образцы изучаются с помощью различных физических проб. Например, если вы хотите изучить кристаллическую структуру, вам нужно измерить дифракцию рентгеновских лучей, обычные источники рентгеновского излучения не годятся, и вам потребуется использовать синхротронное излучение. 

Как я вам уже сказал, рекорд, поставленный на H3S, уже побит новым веществом LaH10. Это вещество тоже не вписывается в правила классической химии, это необычный гидрид. Но такого рода гидриды, причем много разных составов, образуются под давлением: LaH9,LaH6, LaH4 — это всё необычные гидриды. LaH3 — уже обычный гидрид, состав которого можно вывести из валентностей атомов.

Есть экспериментальное доказательство того, что LaH10 — это действительно сверхпроводник, и того, что сверхпроводимость в этом веществе держится до температур 250–260 К, то есть –13 °С или –23 °С, в зависимости от того, верите вы больше цифре 250 или 260 К. Такого рода температура бывает уже в Москве. Не в Антарктиде, не в Якутии, а у нас за окном каждую зиму. 

Итак, мы уже сейчас находимся, согласно экспериментам, на пороге комнатной сверхпроводимости. В принципе, я мог бы на этой оптимистической ноте закончить эту лекцию, но у меня есть кое-что еще для вас. Мы в моей лаборатории очень активно изучаем сверхпроводимость гидридов. 

Совсем недавно мы изучили теоретически, а также экспериментально (один из моих аспирантов активно делает эксперименты) еще один необычный гидрид — BaH12. BaH12 имеет интересную структуру: она является производной от высокосимметричной кубической структуры, но там происходит так называемое пайерлсовское искажение, при котором структура понижает симметрию, трехмерный каркас в этой структуре разваливается на фрагменты из двух и трех атомов водорода, при этом число подвижных электронов падает. Это, видимо, тоже сверхпроводник, хоть и не самый высокотемпературный (его критическая температура — около 20 К). И с ростом давления она, видимо, будет расти. 

Гидрид иттрия YH6 тоже обнаружен экспериментально в моей лаборатории моим аспирантом Дмитрием Семенком совместно с замечательным экспериментатором из Института кристаллографии Иваном Трояном. Опять же, необычный гидрид, не вписывающийся в правила классической химии. Но мы имеем очень хорошего качества экспериментальные данные, которые подтверждают эту необычную кристаллическую структуру и выдающуюся сверхпроводимость. И посмотрите, какая высокая температура сверхпроводимости у этого вещества. Очень близкая к рекорду: 224 К. И очень высокое критическое магнитное поле. Измерения не позволяют, просто нет такого оборудования, идти до величин критического магнитного поля, мы можем попробовать где-то до 20 Тл, а дальше — экстраполяция, и две теоретические экстраполяции дают несколько разные величины, но обе огромны: 116 Тл и 158 Тл. Эти величины, к слову, намного превосходят теоретическую оценку. И здесь возникает первый серьезный знак вопроса во всей этой последней истории: возможно, в таком веществе, как YH6, присутствует какой-то необычный механизм сверхпроводимости в дополнение к стандартному механизму, основанному на колебаниях решетки. 

Так что, возможно, мы здесь не только рекорды ставим, но и стоим и на пороге открытия каких-то новых явлений. Будущее покажет.

Еще пять-шесть лет назад, я думаю, человека, который бы говорил о сверхпроводимости при таких температурах, осмеяли бы. Сейчас температура 250 К или 224 К — уже реальность. 

Итак, гидрид лантана, у которого 250–260 К, гидрид иттрия, у которого 224 К, — это гидриды редкоземельных металлов. А теперь посмотрим на другой редкоземельный металл — неодим. Всегда в химии считалось, что все редкоземельные элементы очень похожи химически, они ведут себя практически как близнецы. Оказывается, это не совсем так, а в отношении сверхпроводимости совершенно не так. Гидриды неодима, которые были предсказаны и получены экспериментально, не являются сверхпроводниками вообще. Они являются магнитными веществами. А магнитное упорядочение, как мы знаем, убивает сверхпроводимость, и сверхпроводимости здесь не получается. Так что, как выясняется, гидриды разных редкоземельных металлов ведут себя совсем по-разному. И редкоземельные металлы в отношении сверхпроводимости являются скорее антиподами друг другу, чем близнецами. Лично для меня это было сюрпризом.

Мы выявили очень тесную связь сверхпроводимости с периодическим законом Менделеева. Эта связь совсем не очевидна. Еще совсем недавно об этом вообще никто не говорил (удивительно, но факт), о связи сверхпроводимости с таблицей Менделеева лично я не слышал ни разу. Оказывается, эта связь очень тесная, по крайней мере для гидридных сверхпроводников. А может быть, и не только для гидридных. Самые интересные сверхпроводники образуются элементами из левой части периодической системы, примерно между 2-й и 3-й группами. Это то, что мы назвали «поясом лабильности». Потому что именно там, между 2-й и 3-й группами таблицы Менделеева, происходит перестройка электронной структуры. Она является замечательной предпосылкой для сильного взаимодействия электронной структуры и колебаний решетки. Когда вы смещаете атомы вокруг атома металла, заселенность его атомных уровней может очень сильно меняться. А это и есть проявление электронно-фононного взаимодействия — взаимодействия электронов с колебаниями решетки. 

Для этих элементов были предсказаны замечательные сверхпроводники: уже знакомый нам гидрид лантана, уже знакомый нам гидрид иттрия (причем несколько гидридов иттрия), гидрид кальция и разных других элементов. Чем дальше вы находитесь от этого пояса лабильности, тем хуже сверхпроводимость. Это и объясняет, почему гидрид лантана — такой замечательный сверхпроводник, гидрид церия — уже намного хуже, хотя тоже неплохой, гидрид празеодима — совсем плох, а гидрид неодима уже никуда не годится, даже если не учитывать магнетизм, там будет слабая сверхпроводимость, но с учетом магнетизма сверхпроводимость полностью погибает. И дальше в ряду лантаноидов всё уже не так интересно. С актиноидами очень похожая история. Предсказанные нами гидриды актиния AcH10 и AcH16 — удивительные высокотемпературные сверхпроводники, замечательным высокотемпературным сверхпроводником является предсказанный нами (а затем всего годом спустя нами же экспериментально полученный и исследованный совместно с Иваном Трояном) гидрид тория ThH10 с экспериментально установленной критической температурой 161 К.  

Все высокотемпературные сверхпроводники являются соединениями с крайне необычными составами, такими как CaH6, показанный здесь, YH6 с такой же структурой, LaH10, YH10, AcH10, ThH10, AcH16. Удивительные составы.

Вообще, вся эта история начиналась как история металлического водорода, в который мы вносим чуть-чуть примеси металла, который всего-то навсего отдает свои электроны и больше ничего не делает. Но, оказывается, делает. Оказывается, это совсем не металлический водород. Гидриды с одинаковым содержанием водорода, но разным металлом в каких-то случаях оказываются исключительными сверхпроводниками, а в каких-то — вообще не сверхпроводниками. Так что атом металла здесь тоже очень-очень важен.

Помните, я вам говорил, что сверхпроводимость растет с увеличением химической сложности? Кстати, не вполне понятно, почему так происходит, но вот происходит. Для чистых элементов сверхпроводимость слабая, для двойных соединений — уже выше, для тройных и четверных — очень хорошая. Всё, что я вам рассказывал про гидридные сверхпроводники, касалось двойных соединений: простой гидрид лантана, простой гидрид иттрия, простой гидрид серы… Представляете себе, что будет, если мы начнем делать тройные, четверные соединения? А мы уже начали: мы натренировали нейронную сеть на всех тех данных, которые у нас были по двойным соединениям, которые я уже показывал. Эта нейронная сеть позволяет предсказывать, какая будет максимальная температура сверхпроводимости для того или иного сочетания химических элементов. И было предсказано, что существует множество систем — десятки систем, десятки соединений — для которых сверхпроводимость достигается при температурах выше 200 К. Если мы идем к тройным системам, сверхпроводимость при такого рода температурах — выше 200 К, может быть, даже выше 300 К — является, в общем-то, не редкостью. Это совсем новые и пока что предварительные результаты, их еще не опубликовали. Но мы уже видим, что есть целый ряд систем, в которых сверхпроводимость имеет критическую температуру, подбирающуюся не только к комнатной температуре, но даже выше. Теперь вопрос, что покажет эксперимент.

Итак, я вам показал наши методы, которые могут быть использованы для предсказания кристаллических структур и более того — для предсказания стабильных химических соединений. Я вам показал, что химические соединения, которые возникают под давлением, очень часто не вписываются в правила классический химии. Необычные составы влекут за собой необычные свойства. Одним из таких свойств является рекордно высокотемпературная сверхпроводимость. Мы поговорили с вами о том, как эта гидридная сверхпроводимость побила все предыдущие рекорды. Подумайте только: рекорд, который держался столько лет, был 135, 138 К, нынешний рекорд — 250 К! Это уже на пороге комнатной сверхпроводимости. Но мы продолжаем мечтать, мы продолжаем искать, и наши предсказания уже подбираются к температурам за 300 К. Будущее покажет, удастся ли такого рода температуры в эксперименте достичь для сверхпроводимости.

Но, пожалуй, еще более важный вопрос вот какой: всё то, что я вам рассказывал про гидридную сверхпроводимость, относится к высоким давлениям: от 1 млн атмосфер и выше. Как изобрести сверхпроводники, которые существовали бы при обычном давлении? На этот вопрос пока ответа нет, но благодаря тем исследованиям, которые я вам показал, у нас уже есть целый ряд идей, как этого можно было бы достичь. 

Я бы хотел поблагодарить моих сотрудников, очень талантливых молодых ученых — Дмитрия Семенка, Александра Квашнина и Ивана Круглова, и наших коллег, без которых были бы невозможны эксперименты, — Ивана Трояна, вместе с которым Дмитрий Семенок сделал множество своих экспериментов, Александра Гончарова и Цзюн-Фу Линя из Техасского университета в Остине. Часть экспериментов делалась в сотрудничестве с ФИАНом и сотрудниками ФИАНа в том числе. Всех этих людей я с огромным удовольствием благодарю, и вас благодарю за внимание.

Обсудите в соцсетях

Подпишитесь
— чтобы вовремя узнавать о новых публичных лекциях и других мероприятиях!
«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ Марс Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Титан Юпитер акустика антибиотики античность антропогенез археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биоинформатика биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера вакцинация викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты клад климатология клонирование комары комета кометы компаративистика космос культура культурология лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина металлургия метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеоклиматология палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы природа психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы путешествие пчелы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность собаки сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство цифровизация школа экзопланеты экология электрохимия эпидемии эпидемиология этология язык Александр Беглов Алексей Ананьев Дмитрий Козак Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса вымирающие виды глобальное потепление грипп защита растений инвазивные виды информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии климатические изменения компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология культурные растения междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция физическая антропология финансовый рынок черные дыры эволюция эволюция звезд эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PayPal PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: polit@polit.ru
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика Top.Mail.Ru
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2020.