Исследователи из Сколтеха, Цзилиньского университета и Пекинского HPSTAR в Китае, а также их немецкие коллеги синтезировали и изучили новый тип сверхпроводника с высоким содержанием водорода. Этот сверхпроводник, получивший техническое название супергидрид лантана типа A15 с формулой La4H23, демонстрирует сверхпроводимость при температуре ниже минус 168 градусов Цельсия и давлении 1,2 миллиона атмосфер.
Полигидриды — это новый класс соединений, синтезируемых при давлении, примерно в 1 миллион раз превышающем нормальное атмосферное давление на Земле. Они могут проявлять уникальные сверхпроводящие свойства: рекордно высокие критические температуры до -23 C в декагидриде лантана LaH10, критические магнитные поля, достигающие 300 тесла, и критические плотности тока.
Даже по сравнению с другими подобными гидридами, недавно открытый La4H23 ведет себя необычно: Он имеет отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления в определенном диапазоне давлений. То есть, в отличие от обычных металлов, с понижением температуры его электрическое сопротивление не уменьшается, а растет, как это происходит в полупроводниках и многих нетрадиционных сверхпроводниках, таких как купраты.
«Первоначально гидриды структурного типа A15 были открыты в системе европий-водород, затем они были обнаружены в системах барий-водород и лютеций-водород. В последней образуется сверхпроводящий гидрид La4H23. Мы провели первопринципные расчеты термодинамической устойчивости этих структур и обнаружили, что такое же соединение должно существовать в системе лантан-водород. Более того, оно должно иметь еще более высокую критическую температуру сверхпроводимости«, — объясняет мотивы исследования один из ведущих авторов работы, инженер-исследователь Сколтеха Григорий Шутов, также являющийся аспирантом кафедры вычислительной техники и инженерии данных.
Синтезированный гидрид лантана La4H23 проявляет и другие необычные свойства. Обычно в магнитных полях сверхпроводящие переходы значительно расширяются. Магнитное поле создает неоднородности в концентрации куперовских пар в объеме сверхпроводника. В результате некоторые области образца переходят в сверхпроводящее состояние позже других, и переход как бы «растягивается» по температурной шкале. Это наблюдается для таких известных материалов, как диборид магния, иттрий-барий-оксид меди, висмут-стронций-кальций-оксид меди и других.
В полигидридах же почти не наблюдается уширения сверхпроводящих переходов, что очень удобно в экспериментальной практике. Это происходит потому, что магнитные вихри, называемые также вихрями Абрикосова, жестко привязаны к существующим структурным неоднородностям внутри полигидрида и не вносят дополнительных возмущений. С новым супергидридом лантана дело обстоит иначе: Он демонстрирует неожиданное сужение сверхпроводящих переходов.
Один из ведущих авторов исследования, Дмитрий Семенок из HPSTAR, доктор наук в области материаловедения и инженерии из Сколтеха, прокомментировал: «Такое необычное поведение заставило нас задуматься о сильных импульсных магнитных полях. Мы взяли образец в ячейке с алмазной наковальней, подготовленной нашими коллегами из Цзилиньского университета, и наше любопытство привело к еще одному замечательному открытию».
В сильных импульсных магнитных полях до 68 тесла вновь синтезированный супергидрид лантана оказался обладателем значительного отрицательного магнитосопротивления, что указывает на существование аномального металлического состояния. Как правило, металлы обладают положительным магнитосопротивлением, поскольку электроны в магнитном поле движутся по более длинным траекториям.
Отрицательное магнитосопротивление встречается очень редко, но часто наблюдается у купратов и других нетрадиционных сверхпроводников в их так называемой фазе псевдозазора, или странного металла. В этой фазе наблюдаются значительные сверхпроводящие флуктуации, которые хотя и недостаточны для создания объемной сверхпроводимости, но заметно влияют на магнитные и транспортные свойства материала.
«Мы еще далеки от понимания всех тех процессов, которые определяют электронно-транспортные свойства супергидридов. С годами появляется все больше доказательств того, что гидриды во многом схожи с такими нетрадиционными сверхпроводниками, как купраты или пниктиды, несмотря на разные механизмы электрон-электронной пары«, — добавил Семенок.
Гидридные сверхпроводники оказываются своеобразным мостом, соединяющим различные классы сверхпроводников, одновременно проявляя свойства обычных и нетрадиционных. Исследователи планируют продолжить изучение различных супергидридов в сильных магнитных полях, уделяя особое внимание их поведению в нефермиевской жидкости.
Результаты исследования были опубликованы в журнале National Science Review.
