Полигидрид тантала присоединяется к новому классу высокоэффективных

Jul 31, 2023

Полигидрид тантала становится сверхпроводником при температуре 30 К и давлении около 200 гигапаскалей (ГПа), говорят исследователи из Китайской академии наук в Пекине. Это первый случай, когда сверхпроводимость наблюдалась в гидриде, полученном из переходного металла 5-й группы, и члены исследовательской группы говорят, что это открытие может проложить путь к синтезу металлического водорода.

Сверхпроводники — это материалы, которые проводят электрический ток без электрического сопротивления при охлаждении до температуры ниже температуры перехода в сверхпроводимость (Tc). Они используются в различных приложениях: от магнитов сильного поля в сканерах МРТ и ускорителях частиц до квантовых битов в квантовых компьютерах. Однако Tc для большинства сверхпроводников всего на несколько градусов выше абсолютного нуля, и даже так называемые высокотемпературные сверхпроводники должны быть охлаждены до температуры ниже 150 К, прежде чем они смогут проводить электричество без сопротивления. Поэтому исследователи стремятся разработать материалы, которые сохраняют сверхпроводимость при более высоких температурах, а в идеале — при комнатной температуре.

Теоретически металлическое состояние водорода, которое, как ожидается, возникает при чрезвычайно высоких давлениях, должно быть сверхпроводником при комнатной температуре. К сожалению, сделать чистый водород металлическим очень сложно. В качестве альтернативы ученые начали исследовать гидриды — соединения, состоящие из водорода и металла.

За последние несколько лет было обнаружено, что гидрид серы и полигидриды обладают сверхпроводимостью при температурах выше 200 К, хотя и только при давлениях, более чем в миллион раз превышающих атмосферное давление на уровне моря. Другие сверхпроводящие материалы этого класса включают гидриды редкоземельных металлов, такие как LaH10 и YH9, и гидриды щелочноземельных металлов, такие как CaH6. Аналогичным образом было обнаружено, что гидриды, содержащие цирконий, лютеций и олово, имеют умеренно высокую Tc.

Большинство 3d-переходных металлов имеют локальные электронные спины, которые склонны проявлять магнитные флуктуации, противодействующие сверхпроводимости. По этой причине исследователи обратили свое внимание на 5d-переходные металлы, такие как Hf и Ta. Действительно, полигидрид гафния становится сверхпроводящим при температуре около 83 К.

Группа исследователей под руководством Чанцин Цзинь синтезировала еще один сверхпроводящий гидрид — полигидрид тантала (TaH3). Они провели свой эксперимент, поместив материал в ячейку с алмазной наковальней, и при давлении 200 ГПа они заметили, что он становится сверхпроводящим при температуре около 30 К. Это делает его первым сверхпроводящим гидридом, изготовленным из металлов 5-й группы, говорит Джин. и его коллеги, которые исследовали сверхпроводящую фазу, используя электропроводность in situ, а также измерения дифракции рентгеновских лучей при высоких давлениях.

Доказательства сверхпроводимости, близкой к окружающей среде, обнаружены в гидриде лютеция

Джин объясняет, что тантал обладает высокой толерантностью к межузельным элементам и может содержать более трех атомов водорода в своей решетке. Однако эти атомы расположены слишком далеко друг от друга, чтобы электроны могли напрямую перепрыгивать между разными участками материала и производить безрассеивающий электрический ток. «Поэтому мы предполагаем, что наблюдаемая нами сверхпроводимость связана с гибридизацией орбиталей Ta и H», — рассказал он Physics World. «Это полностью отличается от того, что ожидается от сверхпроводников на основе гидрида кальция или редкоземельного полигидрида, в которых электрон может напрямую прыгать между соседними атомами водорода, образующими очень плотную клетку».

Наблюдение сверхпроводимости в TaH3 предполагает, что металлический водород может быть реализован путем металлизации ковалентной связи между H и другими элементами. Исследователи, опубликовавшие свою работу в журнале Chinese Physics Letters, говорят, что теперь планируют исследовать другие полигидридные сверхпроводники, содержащие эти ковалентные связи.