Российские учёные из Сколтеха и МФТИ и их коллеги из китайского Центра передовых исследований в области науки и технологий высокого давления исследовали с использованием суперкомпьютера устойчивость причудливых соединений водорода, лантана и магния, которые существуют при высоких давлениях. Работа показывает, при каких условиях стабильны образованные этими тремя элементами соединения. Некоторые из них являются сверхпроводниками, а пять гидридов или лантана, или магния — без атомов второго металла — описаны учёными впервые.
Кристаллические структуры гидридов лантана-магния. Слева направо — LaMgH8, La2MgH12, La3MgH16 и LaMg3H28. Источник: Григорий Шутов и др./Materials Today Physics
Исследование, которое коллектив опубликовал в журнале Materials Today Physics, продолжает поиск сверхпроводников, которые бы работали при комнатной температуре. Открытие таких материалов будет иметь колоссальные последствия для электроэнергетики, транспорта, компьютерной техники и других областей науки и техники.
«В системе магний-лантан-водород, которая прежде не исследовалась, самым высокотемпературным сверхпроводником оказался LaMg3H28. У этого материала электрическое сопротивление становится нулевым при охлаждении до −109 °C и давлении 2 млн атмосфер. Такая температура сверхпроводящего перехода — не рекорд, но тоже вполне неплохо, — прокомментировал работу научный руководитель исследования, профессор Сколтеха Артём Оганов. — Но важно отметить, что мы, помимо прочего, получили свежее подтверждение одного эмпирического правила, которое помогает искать новые высокотемпературные сверхпроводники. Основное достижение в этом, а также в открытии пяти новых бинарных, то есть двухэлементных, соединений, в том числе LaH13 и MgH38. Эти формулы даже для нас выглядят весьма экзотически, и ещё предстоит найти им теоретическое обоснование».
«Кроме того, мы предложили новый подход для изучения сверхбольших химических пространств и показали его эффективность на системе La-Mg-H», — добавил заведующий лабораторией компьютерного дизайна материалов МФТИ Иван Круглов, один из авторов работы.
Что касается упомянутого эмпирического правила, которое удалось подтвердить исследователям, оно связано с переносом электронов: в данном случае атомы водорода забирают электроны у атомов обоих металлов. Так вот, считается, что для максимума сверхпроводимости в подобного рода веществах нужны слабые ковалентные связи между атомами водорода, образующие объёмную сеть. С другой стороны, атом водорода может забрать целый электрон у лантана или магния — получится гидрид-анион, то есть отрицательный ион водорода, который уже не стремится образовывать химических связей. Или же, не получив электронов от металла, атомы водорода удовлетворят свою потребность в химических связях, образуя молекулы H2. Ни в первом, ни во втором случае ожидать высокотемпературной сверхпроводимости не приходится.
«Оказывается, что есть своего рода золотая середина, когда на каждый атом водорода приходится в среднем одна треть электрона, — объяснил Оганов. — Чем ближе к этому значению, тем лучше для сверхпроводимости. На эту особенность обратили внимание какое-то время назад, и своей новой работой мы подтверждаем правило, причём на сравнительно сложной химической системе».
Освещённое в пресс-релизе исследование поддержано грантами № 19-72-30043 и № 21-73-10261 Российского научного фонда.
