Кристаллическую структуру кальция, химического элемента с самой высокой температурой сверхпроводимости, и его сверхпроводящие свойства при высоком давлении впервые удалось предсказать с помощью квантово-механических расчетов, сообщают ученые из США, России, Китая и Испании в статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Температура, при которой кальций по давлением переходит в сверхпроводящее состояние, когда его электрическое сопротивление равно нулю, составляет около 25 градусов Кельвина (примерно минус 248 градусов Цельсия). Среди чистых химических элементов это самый высокий результат, и ученые активно изучают свойства кальция, чтобы понять, почему эта температура так высока.

Однако предыдущие исследования давали противоречивые результаты, которые трудно было согласовать, пояснил РИА Новости ведущий автор работы, профессор университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук и адъюнкт-профессор геологического факультета МГУ Артем Оганов.

Кальций – очень интересный объект для такого рода исследований. Когда его изучали, в частности, под давлением, выяснили ряд моментов, которые было очень сложно понять. Разные исследования приводили к разным результатам, теория и эксперименты постоянно давали разную картину того, что происходит с кальцием при высоком давлении. В нескольких таких моментах мы разобрались, но наша работа также выявила несколько загадок, которые нужно будет решать другим экспериментаторам, – сказал Оганов.

Ученые выяснили, что кальций под давлением проходит ряд фаз, и в некоторых он демонстрирует уникальные свойства, например, необычно высокие критические температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Все эти свойства исследователи могут предсказать благодаря новому методу предсказания кристаллических структур, разработанному Огановым и его коллегами.

До нашей работы казалось, что кальций – это элемент «сам по себе», который под давлением ведет себя так, как ни один другой элемент. Наша работа показала, что его поведение должно быть очень похоже на поведение стронция. На самом деле это соответствует химической интуиции: в периодической системе они находятся один над другим, – пояснил Оганов.

По словам ученого, ранее существовали определенные сомнения в том, может ли квантово-механическая теория сверхпроводимости, разработанная американскими физиками Джоном Бардиным, Леоном Купером и Джоном Шриффером, давать количественные оценки температуры сверхпроводника для реальных материалов. Ученым впервые удалось показать, что такие количественные предсказания возможны даже для материала, претерпевшего множество сложнейших структурных превращений – а именно так ведет себя под давлением кальций.

Экспериментальные данные о структуре сверхпроводника можно получить методом рентгеновской дифракции. Однако точную структуру можно найти, только если образец достаточно большой и высококачественный, а условия эксперимента – очень хорошие, чего обычно нет при анализе веществ под высоким давлением. Оганову и его коллегам удалось, не опираясь на данные наблюдений, построить модель структуры, которая совпадает с ними «настолько, насколько можно доверять существующим экспериментам».

Картина рентгеновской дифракции была получена японскими исследователями несколько лет назад, но они не были в состоянии расшифровать структуру. Последующие теоретические работы во многом противоречили друг другу. Теперь мы подобрали «ключик» к их экспериментальным наблюдениям: наша структура подходит под их дифракцию, как ключ в замок, – отметил собеседник агентства.

Как пишут авторы в своей статье, найденные ими свойства кальция делают его «одним из самых необычных и интересных элементов периодической таблицы».

Мы провели расчеты с помощью нашего метода и смогли найти структуры, которые как раз объясняли эксперимент. И эти структуры имеют точь-в-точь те же сверхпроводящие свойства, что и выявленные другими экспериментами. Нам удалось создать общую картину поведения кальция под давлением с точки зрения структуры, сверхпроводимости, химии того, что происходит, – заключил Оганов.