Сверхпроводимость относится к потере электрического сопротивления материала и требует чрезвычайно низких температур (< -200°C) для сохранения. Эта низкая температура, также известная как температура перехода, была ограничивающим фактором в применении сверхпроводников, и поиск материалов, которые могут проявлять сверхпроводимость при более высоких температурах, стал важной целью исследований во всем мире.
Прорыв был сделан с богатыми водородом соединениями (называемыми гидридами), содержащими редкоземельные или щелочные металлы, которые проявляют сверхпроводимость при комнатной температуре при высоких давлениях (100-200 ГПа). Эти гидриды металлов имеют клеточную структуру из атомов водорода, уложенных друг на друга, что позволяет им выдерживать высокие давления, необходимые для явления сверхпроводимости. Многие кристаллические структуры и составы этих гидридов были предсказаны путем объединения различных бинарных гидридов металлов вместе.
Теперь, в исследовании, опубликованном в The Journal of Physical Chemistry 26 января 2022 года, группа исследователей под руководством профессора Рё Маэзоно из Японского передового института науки и технологий (JAIST) использовала суперкомпьютер для создания подобных прогнозы жизнеспособных высокотемпературных тройных сверхпроводников на основе гидридов металлов, содержащих магний (Mg), щелочной металл, и скандий (Sc), редкоземельный элемент. Известно, что MgH2 и ScH2 являются стабильными фазами при атмосферном давлении. Таким образом, MgH2 и ScH2 можно использовать для химического синтеза тройных соединений Mg-Sc-H», - объясняет профессор Маэзоно.
Исследователи начали свои поиски с определенных соединений Mg-Sc-H (MgSc3Hx, MgSc 2Hx, MgScHx, Mg2ScH x и Mg3ScHx, где x=2−12, 14, 16 и 18). Начав со случайных начальных структур, они использовали суперкомпьютер для определения возможных комбинаций и кристаллических структур, которые привели бы к действительному сверхпроводнику в диапазоне давлений 100-200 ГПа.
Для достижения сверхпроводимости предсказанное соединение должно удовлетворять определенным условиям: оно должно быть термодинамически стабильным, т. структура, способная выдерживать высокие давления, где это явление имеет место. В ходе моделирования было обнаружено, что четыре водородосодержащие структуры удовлетворяют критериям: R3̅ m -MgScH6, C2/ m -Mg2ScH 10, Immm -MgSc2H9 и P m3̅m -Mg-(ScH 4)3
Из кристаллических структур было обнаружено, что R3̅ m -MgScH6 имеет самую высокую температуру перехода (23,3 К) при 200 ГПа и 41 К при 100 ГПа. Было обнаружено, что соединение обладает гексагональной кристаллической структурой, в которой каждый атом Mg и Sc окружен 14 атомами H (рис. 1). Однако температура перехода была намного ниже, чем у бинарных галогенидных аналогов (LH10 и YH10), и эта низкая температура была приписана низкая плотность состояний на уровне Ферми из-за меньшего содержания водорода.
Среди гидридов металлов тройные гидриды металлов, которые содержат водород, связанный с двумя другими металлами, являются многообещающими кандидатами на сверхпроводимость при низком давлении и комнатной температуре. Однако это был сложный и трудоемкий процесс, чтобы предсказать подходящие элементы и кристаллическую структуру, которые привели к сверхпроводящему тройному гидриду из-за большого количества возможных комбинаций с металлами. С помощью суперкомпьютеров исследователи теперь могут быстро определять потенциальных сверхпроводников. Открытие соединений Mg-Sc-H как действительных сверхпроводников является третьим подобным предсказанием для тройных гидридов, сделанным исследовательской группой с использованием компьютерного моделирования. «Это третья новость о соединениях «Mg/Sc» после предыдущих результатов с «La/Y» в декабре 2021 года и «Y/Mg» в январе 2022 года. Новые открытия появляются одно за другим», - говорит профессор Маэзоно..
Несмотря на низкие температуры перехода, предсказанные соединения Mg-Sc-H остаются стабильными при более низких давлениях, чем те, которые обычно наблюдаются для высокотемпературных сверхпроводников. Моделирование, подобное этому, позволяет исследователям понять вклад каждого элемента в явление сверхпроводимости, ускоряя разработку высокотемпературных сверхпроводников..