Ученые Сколтеха и МФТИ открыли новое правило для предсказания сверхпроводящих металлических гидридов

Исследователи Сколтеха и МФТИ и их коллеги открыли новое правило, облегчающее поиск высокотемпературных сверхпроводников, представляющих сейчас особую актуальность. Ученым удалось установить связь между положением элемента в Периодической таблице и его способностью к образованию высокотемпературного сверхпроводящего гидрида. Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом, представлены в статье в журнале Current Opinion in Solid State & Materials Science.

Рисунок. Максимальная предсказанная критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние  для гидрида металла. Источник: Сколтех / Павел Одинев

Сверхпроводящие материалы обладают нулевым сопротивлением и способны передавать электричество без потерь. Эти свойства представляют огромный интерес с точки зрения практического использования сверхпроводников в электронике и энергосетях. Сверхпроводящие магниты уже широко применяются и в аппаратах МРТ, работающих в обычных больницах, и в ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе.

На сегодняшний день существует два способа достижения сверхпроводимости, причем оба требуют обеспечения предельных условий: либо очень низких температур, либо очень высокого давления. В первом случае требуется охлаждение до 100 К (приблизительно –173 градуса по Цельсию) или еще ниже. Результаты исследований показывают, что у металлического водорода сверхпроводимость может проявляться и при температуре, близкой к комнатной, но для этого необходимо обеспечить давление на пределе сегодняшних технических возможностей — более 4 миллионов атмосфер.

Именно поэтому взгляды ученых сейчас устремлены в сторону гидридов — соединений водорода с другим химическим элементом: эти соединения могут переходить в сверхпроводящее состояние при относительно высоких температурах и относительно низких давлениях. Действующим рекордсменом по температуре перехода является декагидрид лантана, LaH10. В прошлом году было показано, что это соединение становится сверхпроводящим при температуре –23 оС и давлении 1,7 миллиона атмосфер. Такой уровень давления вряд ли даст возможность практических применений, но тем не менее результаты, полученные в ходе исследований гидридов-сверхпроводников, имеют важное значение для других классов сверхпроводников, работающих при нормальных давлении и температуре.
Аспирант Сколтеха Дмитрий Семенок, профессор Сколтеха и МФТИ Артём Оганов и их коллеги открыли новое правило, позволяющее предсказывать максимальную критическую температуру перехода в сверхпроводящее состояние (maxTC) для гидрида металла исходя только из электронной структуры атомов металла. Это открытие существенно облегчает задачу поиска новых сверхпроводящих гидридов.

«Поначалу связь между сверхпроводимостью и Периодической таблицей казалась нам чем-то загадочным. Мы и сейчас не до конца понимаем ее природу, но полагаем, что она обусловлена тем, что электронная структура элементов на границе между элементами s и p или s и d (они располагаются между 2-й и 3-й группами таблицы) особенно чувствительна к искажениям кристаллической решетки, что способствует сильному электрон-фононному взаимодействию, которое и лежит в основе сверхпроводимости гидридов», — отмечает Артём Оганов.

Ученые не только выявили важную качественную закономерность, но и провели обучение нейронной сети для предсказания значения maxTC для соединений, по которым отсутствуют экспериментальные или теоретические данные. Для некоторых элементов в ранее опубликованных данных наблюдались аномалии. Исследователи решили проверить эти данные, используя для этой цели эволюционный алгоритм USPEX, разработанный профессором Огановым и его учениками и позволяющий предсказывать термодинамически стабильные гидриды этих элементов.

«В отношении элементов, у которых, согласно опубликованным данным, наблюдались слишком низкие или слишком высокие (по условиям нового правила) значения maxTc, мы провели систематический поиск стабильных гидридов и в результате не только подтвердили справедливость нового правила, но и получили целый ряд новых гидридов таких элементов, как магний (Mg), стронций (Sr), барий (Ba), цезий (Cs) и рубидий (Rb). В частности, было установлено, что у гексагидрида стронция SrH6 значение maxTC составляет 189 К (–84 оC) при давлении 100 ГПа, а у теоретического супергидрида бария BaH12 оно может достигать 214 K (–59 оC)», — рассказывает один из авторов работы, старший научный сотрудник Сколтеха и преподаватель МФТИ Александр Квашнин.

В 2019 году Артём Оганов и его коллеги из России, США и Китая синтезировали супергидрид церия CeH9, обладающий сверхпроводимостью при температуре 100–110 К и (относительно) низком давлении — 120 ГПа. Еще один сверхпроводник, открытый исследовательской группой в составе Дмитрия Семенка, Ивана Трояна, Александра Квашнина, Артёма Оганова и их коллег, — гидрид тория ThH10, имеющий высокую критическую температуру 161 К.

«Имея в арсенале новое правило и нейронную сеть, мы можем сосредоточить наши усилия на поиске более сложных и перспективных соединений, обладающих сверхпроводимостью при комнатной температуре. Это тройные супергидриды, состоящие из двух элементов и водорода. Нам уже удалось предсказать несколько гидридов, которые вполне могут конкурировать с LaH10 и даже превосходить его», — говорит первый автор работы Дмитрий Семенок.

В работе также участвовали сотрудники Всероссийского научно-исследовательского института автоматики имени Н. Л. Духова и Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ имени М. В. Ломоносова.