Надпровідність – квантове явище, яке полягає у здатності матеріалу проводити електричний струм без втрат – досягнута за рекордно високої температури, що становить 203 К (-70°С). Досі цей ефект спостерігали лише за дуже низьких температур, близьких до абсолютного нуля. Але вчені з часу відкриття цього явища на початку минулого століття постійно намагалися збільшити цю температуру. Надпровідник, здатний працювати за кімнатної температури, може зробити переворот в електроенергії, адже це дасть змогу виробляти та транспортувати її без втрат.
Гідроген сульфід (сірководень, H₂S) – речовина, яка смердить тухлими яйцями, – як виявилося, є саме цим рекордним надпровідником. Перші результати дослідження, які пролили світло на його унікальні властивості, були опубліковані на сервері препринтів arXiv ще в грудні, а згодом у червні. Вони тоді викликали хвилю ентузіазму в середовищі вчених. Остання публікація, що остаточно підтвердила високотемпературну надпровідність гідроген сульфіду, появилася у часописі Nature лише вчора.
Фізик Ігор Мазін з Морської дослідницької лабораторії у Вашингтоні охрестив гідроген сульфід «святим граалем» надпровідників, а його коллега Фань Чжан з Техаського університету в Далласі назвав це відкриття «історичним», кажучи, що воно матиме «широчезну сферу застосування».
Надпровідні властивості сірководню відкрила команда фізиків на чолі з Міхаїлом Єремцем та Алєксандром Дроздовим з Хімічного інституту ім. Макса Планка у Майнці (Німеччина). Вони виявили, що якщо зразки гідроген сульфіду піддати дуже високому тиску (бл. 1,5 млн. атмосфер) й охолодити до температури нижче 203 К, то вони демонструють ключові властивості надпровідників: нульовий електричний опір та ефект Мейснера.
За словами фізика Крістофера Хіля з Технологічного університету ім. Ґрац (Австрія), вчені з усього світу надзвичайно зацікавлені цими результатами, адже їх досягли без використання екзотичних матеріалів, зокрема сполук міді, званих купратами, що досі утримували рекорд температури надпровідності, який становив 133 К (-140°С) за звичайного тиску та 164 К (-109°С) за високого. За його словами, гідроген сульфід, перебуваючи під високим тиском, поводиться як звичайний надпровідник, у якому вібрації всередині кристалічної ґратки змушують електрони формувати так звані «Куперівські пари», які рухаються нею без опору.
Теоретичні обчислення фізика Маттео Каландри з Університету ім. П’єра та Марії Кюрі в Парижі виявили, що якості гідроген сульфіду можна пояснити на основі модифікованої версії звичної теорії низькотемпературної надпровідності, що ґрунтується на вібраціях кристалічної ґратки. Це досить дивно, адже в науці досі побутувала думка, що надпровідність за температур, які перевищують кілька десятків кельвінів, потребує екзотичних матеріалів, які не виявляють т. зв. «звичну» надпровідність. «Звичною» (conventional) називають надпровідність, яку описує класична теорія Бардіна-Купера-Шріффера, що стосується таких елементів, як алюміній, ртуть, молібден, ніобій, свинець, олово, тантал, титан, ванадій та цинк.
Попри те, що науковці усього світу з ентузіазмом зустріли результати команди Єремця, вони все-таки чекають їх підтвердження у незалежних лабораторіях. Команді японських фізиків на чолі з Кацуо Шіміцу з Університету Осаки вже вдалося підтвердити втрату опору гідроген сульфіду зі зниженням температури. Тепер їм ще слід підтвердити ефект Мейснера. А чотири інші дослідницькі команди – три в Китаї та одна у США – мають на меті підтвердити або електричні, або магнітні властивості cірководню.
Якщо Єремець та його колеги мають рацію, то теоретично й інші сполуки водню можуть бути кандидатами у високотемпературні надпровідники. Це, зокрема, його сполуки з платиною, калієм, селеном та телуром.
Фань Чжан та його колега Юйґуй Яо з Пекінського технологічного інституту (Китай) теоретично передбачають, що якщо замінити 7,5% атомів сірки фосфором й збільшити тиск до 2,5 млн. атмосфер (250 ГПа), то надпровідні властивості виявлятимуться за 280 К, що перевищує температуру замерзання води.
Edwin Cartlidge
Superconductivity record sparks wave of follow-up physics
Nature, 17/08/2015
Зреферував Євген Ланюк
21.08.2015