Исследователи из Сколтеха и МФТИ открыли новое химическое правило — они установили связь между положением элемента в Периодической таблице и его способностью к образованию высокотемпературного сверхпроводящего гидрида. Результаты исследования представлены в статье в журнале Current Opinion in Solid State & Materials Science.

Сверхпроводящие материалы, обладающие нулевым сопротивлением и способные передавать электричество без потерь, представляют огромный интерес с точки зрения практического использования в электронике и энергосетях. Сверхпроводящие магниты уже широко применяются в аппаратах МРТ и в ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе.

Свойство сверхпроводимости возникает у материалов либо при очень низких температурах, либо при очень высоких давлениях. И то и другое требует огромных затрат и усилий, при этом заранее непонятно, при каких условиях у того или иного потенциально сверхпроводящего материала обнаружатся необходимые качества. Поэтому перед учеными стоит задача достоверно определить теоретическим путем тот круг соединений, работа с которыми будет наиболее эффективна.

Результаты исследований показывают, что у металлического водорода сверхпроводимость может проявляться и при температуре, близкой к комнатной, но для этого необходимо обеспечить давление на пределе сегодняшних технических возможностей — более 4 миллионов атмосфер.

Поэтому взгляды ученых обращены в сторону гидридов — соединений водорода с другими химическими элементами, которые смогут переходить в сверхпроводящее состояние при относительно высоких температурах и относительно низких давлениях.

Пока рекордсменом по температуре перехода является декагидрид лантана LaH₁₀, у которого сверхпроводящие свойства появляются при температуре минус 23 градуса Цельсия и давлении 1,7 миллиона атмосфер. Такой уровень давления вряд ли даст возможность практических применений, но, тем не менее, результат показывает, что поиск высокотемпературных проводников среди гидридов металлов идет в правильном направлении.

Ученые из Сколтеха и МФТИ в сотрудничестве с коллегами из Всероссийского научно-исследовательского института автоматики имени Н. Л. Духова и Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ имени М. В. Ломоносова и при финансовой поддержке Российского научного фонда (РНФ) создали компьютерную модель, с помощью которой можно предсказывать максимальную критическую температуру перехода в сверхпроводящее состояние (maxT_C) гидридов, исходя только из электронной структуры атомов металлов, входящих в их состав. Это открытие существенно облегчает задачу поиска новых сверхпроводящих гидридов.

Ученые не только выявили важную качественную закономерность, но и провели обучение нейронной сети для предсказания значения maxT_C для соединений, по которым отсутствуют экспериментальные или теоретические данные. Для некоторых элементов в ранее опубликованных результатах наблюдались отклонения. Исследователи решили проверить эти данные, используя для этой цели эволюционный алгоритм USPEX, разработанный одним из авторов исследования, профессором Артемом Огановым и его учениками, и позволяющий предсказывать термодинамически стабильные гидриды.

«В отношении элементов, у которых, согласно опубликованным данным, наблюдались слишком низкие или слишком высокие, по условиям нового правила, значения maxT_C, мы провели систематический поиск стабильных гидридов и в результате не только подтвердили справедливость нового правила, но и получили целый ряд новых гидридов таких элементов, как магний, стронций, барий, цезий и рубидий», — приводятся в пресс-релизе РНФ слова одного из авторов работы, старшего научного сотрудника Сколтеха и преподавателя МФТИ Александра Квашнина.

В частности, было установлено, что у гексагидрида стронция SrH₆ значение maxT_C составляет 189 Кельвинов (минус 84 градуса Цельсия) при давлении 100 гигапаскалей, а у теоретического супергидрида бария BaH₁₂ оно может достигать 214 Kельвинов (минус 59 градусов Цельсия).

«Имея в арсенале новое правило и нейронную сеть, мы можем сосредоточить наши усилия на поиске более сложных и перспективных соединений, обладающих сверхпроводимостью при комнатной температуре. Это тройные супергидриды, состоящие из двух элементов и водорода. Нам уже удалось предсказать несколько гидридов, которые вполне могут конкурировать с LaH₁₀ и даже превосходить его», – говорит первый автор работы, аспирант Сколтеха Дмитрий Семенок.