Специалисты по состоянию вещества в сверхсжатом состоянии из Университета Карнеги смоделировали поведение трех гидридов с высоким содержанием водорода и определили, как изменение давления и температуры будут способствовать переходу этих систем в сверхпроводящее состояние. Результаты работы позволяют приблизиться к пониманию того, как можно добиться от водорода сверхпроводимости.

Физиков давно мучают вопросы – можно ли придать водороду, самому распространенному во Вселенной элементу, электронные свойства металла или даже сверхпроводника.

На основании теоретических выкладок можно предположить, что при приложении определенных давления и охлаждения до определенной температуры водород можно сжать до металлического или сверхпроводящего состояния, однако экспериментальное подтверждение этого факта пока затруднено.

Для перевода в сверхпроводящее состояние материалы должны быть охлаждены до температуры фазового перехода, которая обычно очень низка, что затрудняет широкое применение классических (не высокотемпературных) сверхпроводников. Исследователи обнаружили, что температура фазового перехода в сверхпроводящее состояние может быть увеличена с помощью химической модификации материала или за счет приложения высокого давления. Для предсказания того, какие манипуляции с химическим составом и давлением необходимо проделать для повышения температуры фазового перехода в сверхпроводящее состояние оказывается полезным теоретическое моделирование.

Исследователи из Карнеги смоделировали поведение трех гидридов металлов – тригидрида скандия (ScH₃), тригидрида иттрия (YH₃) и тригидрида лантана (LaH₃), изучив различные сценарии их поведения при изменениисостава, давления и температуры.

Было обнаружено, что для изученных соединений фазовый переход в сверхпроводящее состояние может быть реализован в интервале давлений 10–20 ГПа (около 100000–200000 атмосфер), что на порядок ниже давления перехода родственных по структуре тетрагидридов. Тригидрид лантана переходит в сверхпроводящее состояние при давлении 10 ГПа и температуре 20 К, тригидриды скандия и иттрия – при давлении 20 ГПа, 18 К и 40 К соответственно.

Также было обнаружено, что два соединения – LaH₃ и YH₃, отличаются близким распределением колебательной энергии в области сверхпроводимости, что отличает их строение от строения ScH₃ в области перехода к сверхпроводящему.

Полученные результаты позволяют предположить, что причиной перехода тригидридов лантанидов в сверхпроводящее состояние является передача колебательной энергии кристаллической решетки гидрида электронам. При повышении давления более 35 ГПа эффект сверхпроводимости пропадает, и все три гидрида характеризуются металлической проводимостью, хотя тригидрид иттрия (но не производные скандия и лантана) снова становится сверхпроводящим при давлении 50 ГПа.

Исследователи полагают, что успех моделей в предсказании поведения трех родственных соединений в близких условиях является весьма важным достижением в понимании феномена сверхпроводимости.

Ранее внимание физиков, изучавших сверхпроводимость, было приковано к тетрагидридам металлов. Факт того, что сверхпроводимость можно вызвать в тригидридах при меньших давлениях делает их более перспективными материалами для экспериментального исследования. В настоящее время исследователи из Университета Карнеги планируют проверить свои собственные теоретические выкладки экспериментально.

Читайте статью об изучении свойств металлического водорода с помощью гидридов лития.