Сверхпроводники при сверхдавлении

Необычные гидриды олова при высоком давлении могут превратиться в высокотемпературные сверхпроводники.

Сверхпроводимость – состояние, при котором у проводника пропадает электрическое сопротивление, –  очень полезное свойство, поскольку ток по такому проводнику течет без потерь энергии. Но у обычных металлов сверхпроводимость возникает при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (–273°C), а такие температуры трудно реализовывать на практике. Тем не менее, сверхпроводники используют в различных устройствах, например, в ускорителях и оборудовании для магнитно-резонансной томографии. К примеру, сверхпроводящие магниты ускорителя Большого адронного коллайдера работают при температуре около –271°C.

Уже не одно десятилетие научные группы во многих странах мира заняты поиском веществ, которые способны проявлять сверхпроводящие свойства при более высоких температурах, хотя бы на несколько десятков градусов выше абсолютного нуля.  Немногие известные на сегодняшний день высокотемпературные сверхпроводники работают при температурах от 40 до 138 К (от –233 до –135°C). 

Пока еще физикам не удалось полностью разобраться в том, от чего зависит высокотемпературная сверхпроводимость. Одно из направлений поиска – исследование веществ под огромным давлением, в сотни гигапаскаль, что в миллионы раз больше привычного атмосферного давления. В этих условиях свойства веществ принципиально изменяются и многие из них  становятся сверхпроводниками (кислород, бор, сера и др.). А, например, металл натрий наоборот становится прозрачным диэлектриком. Происходит это из-за сильного смещения атомов под давлением, при котором перекрываются их электронные оболочки. Но еще более важно то, что соединения, которые «запрещены» химией при нормальном давлении, становятся стабильными.

Однако для такого поиска традиционный химический синтез новых веществ с последующим экспериментальным исследованием практически нереализуем. Слишком много вариантов химических соединений необходимо получить и исследовать в экстремальных условиях. Единственный выход – предварительно смоделировать  необходимую молекулярную и кристаллическую структуру вещества по его химическому составу.

Но на этом пути стоит другая проблема, заключающаяся в том, что число вариантов расположения атомов в кристалле очень велико. Например, если в ячейке кристалла десять атомов, то у них будет около 100 миллиардов вариантов расположения. Чтобы их все просчитать, потребуются сотни лет работы самого быстрого суперкомпьютера. А для расчетов всех конфигураций двадцати атомов не хватит возраста Вселенной.

Эту проблему несколько лет тому назад решил Артем Оганов, в настоящее время представляющий «Сколтех». Вместе со коллегами он разработал метод «эволюционной кристаллографии», позволяющий по химическому составу вещества вычислить самую устойчивую его структуру в различных физических условиях. Алгоритм, получивший название USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography – универсальный предсказатель структур на основе эволюционной кристаллографии), стал настоящим прорывом на пути прогнозирования новых материалов с заранее заданными свойствами.

Используя метод эволюционной кристаллографии, международный коллектив при участии физиков из Сколтеха и МФТИ провел компьютерное моделирование гидридов олова и выяснил, какие из них обладают высокотемпературной сверхпроводимостью при высоком давлении. Результаты работы опубликованы в журнале Scientific Reports.  

Исследование опиралось на факт, что традиционный гидрид олова SnH₄ под давлением 200 Гпа становится сверхпроводником при температуре – 221°C. Используя USPEX, физики произвели расчет «необычных» гидридов олова и сделали вывод, что соединения SnH₈, SnH₁₂, SnH₁₄ стабильны при давлениях свыше 220 Гпа и обладают сверхпроводящими свойствами при температурах в районе –170 …–190°C.

Открытые соединения крайне интересны с точки зрения химии, так как имеют труднообъяснимые химические формулы и группы из трех и четырех атомов водорода.

По материалам пресс-службы Сколтеха