Расчеты исследователей под руководством Артема Оганова из Лаборатории кристаллографии предсказывают, что гидрид германия будет сверхпроводящим при относительно высоких температурах, но будет легче обрабатывать, чем известные до сих пор высокотемпературные сверхпроводники.
196° Цельсия ниже нуля считается высокой температурой для людей, которые работают со сверхпроводниками, потому что это точка кипения азота 77 Кельвинов, единицы измерения, используемые физиками. Таким образом, материал можно охладить до этой температуры жидким азотом, который дешев и прост в производстве. Вот почему материалы, обладающие сверхпроводимостью при этой температуре, привлекательны для технических приложений. Такие материалы существуют и называются «нетрадиционными сверхпроводниками» - нетрадиционными, потому что механизм их сверхпроводимости не изучен.
Самая высокая температура перехода, обнаруженная до сих пор - температура, ниже которой материал становится сверхпроводящим - была для купрата, соединения меди, и составляет 166 K (-107°C). Проблема в том, что купраты имеют консистенцию, аналогичную графиту, который мы знаем по стержням карандашей. Купраты трудно поддаются механической обработке; например, попытки изготовить из них длинные провода до сих пор не увенчались успехом. Купраты также сложны в производстве и часто токсичны.
Обычные сверхпроводники не имеют ни одной из этих проблем, но те из них, которые известны в настоящее время, не становятся сверхпроводниками до тех пор, пока точка кипения азота не станет намного ниже температуры кипения азота, где-то между абсолютным нулем и 39 Кельвинами (-234°C).
13 градусов все еще не хватает
Ученые сейчас ищут обычный сверхпроводник, температура перехода которого превышает 77 Кельвинов. Группа ученых во главе с Артемом Огановым из Лаборатории кристаллографии ETH Zurich сделала большой шаг к этой цели. Как недавно сообщалось в Physical Review Letters, компьютерные расчеты показали, что гидрид германия (GeH4) является обычным сверхпроводником с температурой перехода 64 Кельвина. Таким образом, теперь они всего на 13 градусов меньше нормы азота.
Возможно, удастся преодолеть эти 13 градусов, легируя материал оловом или кремнием. Однако гидрид германия должен находиться и под высоким давлением, чтобы стать сверхпроводящим: необходимо около двух мегабар, т. е. примерно в миллион раз больше, чем давление в шинах легкового автомобиля. Такое давление не может быть достигнуто в промышленных масштабах, но может быть достигнуто в лабораториях. Лаборатория в Германии уже планирует в этом месяце подвергнуть гидрид германия такому давлению.
Артем Оганов не сомневается, что результаты лабораторного эксперимента совпадут с его расчетами. Его алгоритмы уже доказали свою правильность для других материалов. Например, расчеты для SiH4 совпали с измерениями, тогда как более ранние расчеты других групп сильно отличались от истины. Когда Оганов впервые опубликовал свой метод три года назад, это вызвало большой ажиотаж во всем мире. Оганов говорит, что, когда он подавал объявление о приеме на должность постдока, один из претендентов был профессором, «одним из умнейших физиков-теоретиков Китая». Янмин Ма получил этот пост и за два года работы в группе Оганова в ETH Zurich участвовал в многочисленных открытиях. С тех пор он вернулся в Китай. Настоящая публикация по гидриду германия явилась результатом совместной работы групп под руководством Ма и Оганова. Первый автор - докторант Ма Гоин Гао.
С 1 декабря Оганов сам занял должность профессора в Государственном университете Нью-Йорка, где он возглавит собственную лабораторию, в которой, среди прочего, продолжит поиск сверхпроводников. Одна из целей - найти все возможные стабильные структуры, состоящие из определенных элементов, таких как Ge и H - возможно, одна из них окажется интересным сверхпроводником.
Сверхпроводимость
Когда материал становится идеальным проводником при температуре ниже определенной, это называется сверхпроводимостью, что означает, что электрический ток может течь через него без какого-либо сопротивления. Явление было открыто в 1911 году голландцем Камерлинг-Оннесом. В настоящее время сверхпроводники используются лишь в нескольких областях, например, в магнитно-резонансной томографии, в магнитах для ускорителя частиц LHC в ЦЕРН и в нескольких железных дорогах на магнитной подушке.