Физики давно задавались вопросом, может ли водород, самый распространенный элемент во Вселенной, превратиться в металл и, возможно, даже в сверхпроводник - неуловимое состояние, в котором электроны могут течь без сопротивления.
Они предположили, что при определенных условиях давления и температуры водород может быть выдавлен в металл и, возможно, даже в сверхпроводник, но экспериментально доказать это было сложно. Исследователи высоких давлений, в том числе Хо Кван (Дэйв) Мао из Карнеги, смоделировали три металлических сплава с высокой плотностью водорода и обнаружили, что существуют тренды давления и температуры, связанные со сверхпроводящим состоянием, - огромный толчок к пониманию того, как этот распространенный материал может быть запряженным.
Исследование опубликовано 25 января 2010 г. в раннем онлайн-издании Proceedings of the National Academy of Sciences.
Все известные материалы должны быть охлаждены ниже очень низкой, так называемой, температуры перехода, чтобы стать сверхпроводящими, что делает их непрактичными для широкого применения. Ученые обнаружили, что в дополнение к химическим манипуляциям для повышения температуры перехода сверхпроводимость также может быть вызвана высоким давлением. Теоретическое моделирование очень полезно для определения характеристик и давлений, которые могут привести к высоким температурам перехода. В этом исследовании ученые смоделировали основные свойства из первых принципов - изучения поведения на атомном уровне - трех гидридов металлов при определенных сценариях температуры, давления и состава. Гидриды металлов представляют собой соединения, в которых металлы связываются с большим количеством водорода в структуре решетки. Соединения представляли собой тригидрид скандия (ScH3), тригидрид иттрия (YH3) и тригидрид лантана (LaH3).).
Мы обнаружили, что сверхпроводимость возникает при давлениях примерно в 100 000-200 000 раз выше атмосферного давления на уровне моря (от 10 до 20 ГПа), что на порядок ниже давления родственных соединений, которые связываться с четырьмя атомами водорода вместо трех», - заметил Мао из Геофизической лаборатории Карнеги. Тригидрид лантана стабилизирован примерно при 100 000 атмосфер и температуре перехода -423 ° F (20 Кельвинов), в то время как два других стабилизированы примерно при 200 000 атмосфер и температурах -427 ° F (18 K) и -387 ° F. (40 K) для ScH3 и YH3 соответственно.
Исследователи также обнаружили, что два соединения, LaH3 и YH3, имели более сходное распределение колебательной энергии для каждого из них. кроме ScH3 на пороге сверхпроводимости, и что температура перехода была самой высокой в точке, когда произошло структурное превращение во всех трех. Этот результат предполагает, что сверхпроводящее состояние возникает в результате взаимодействия электронов с колебательной энергией через решетку. При давлениях выше 350 000 атмосфер (35 ГПа) сверхпроводимость исчезла, и все три соединения стали нормальными металлами. В тригидриде иттрия состояние сверхпроводимости вновь появлялось примерно при 500 000 атмосфер, но не при других. Ученые объяснили этот эффект разной массой.
«Тот факт, что модели предсказали отличительные тенденции в поведении этих трех родственных соединений при одинаковых температурах и давлениях, очень интересен для этой области», - прокомментировал Мао. «До этого исследования основное внимание уделялось соединениям с четырьмя атомами водорода. Тот факт, что сверхпроводимость индуцируется при более низких давлениях в тригидридах, делает их потенциально более многообещающими материалами для работы. Диапазоны температур и давлений легко достижимы в лаборатории. и мы надеемся увидеть шквал экспериментов, подтверждающих эти результаты». Команда из Карнеги приступила к собственным экспериментам с этим классом тригидридов, чтобы проверить эти модели.
Авторами документа были Дак Янг Ким, Ральф Х. Шайхер, Хо-Кванг Мао, Тэ Э. Канг и Раджив Ахуджа. Работа поддерживается EFree, исследовательским центром Energy Frontier, финансируемым Министерством энергетики США.