Странный гидрид олова

Исследователи из Сколтеха, Института кристаллографии РАН и Центра высоких давлений HPSTAR в Пекине продолжают работу над проектом по изучению сверхпроводимости гидридов — соединений металлов с водородом, образующихся при высоком давлении. Такие соединения, как ожидают ученые, смогут работать при более высоких температурах, чем купратные сверхпроводники. Совместно с коллегами из других ведущих научных институтов России, Китая, Германии и США исследователи опубликовали статью в журнале Advanced Science, в которой представили ранее неизвестные гидриды олова. С ее содержанием ознакомила читателей пресс-служба Сколтеха.

Сверхпроводимость — это свойство материала проводить электричество без потерь и сопротивления. Сверхпроводники существенно упрощают передачу электрического тока и используются в новых технологических разработках — например, в больших магнитах или квантовых компьютерах, которые в миллионы раз быстрее решают задачи, практически недоступные для обычных компьютеров. Однако пока такие технологии дороги из-за того, что существующие сверхпроводники могут работать только при очень низких температурах — в основном ниже минус 196 градусов Цельсия.

«Тема гидридной высокотемпературной сверхпроводимости становится всё более популярной из-за открытия новых материалов с рекордными критическими температурами. В такой ситуации очень важно понимать и изучать физические механизмы проводимости и сверхпроводимости в гидридах, а также структуру новых материалов, иначе можно получить некорректные данные. В наших исследованиях эта задача успешно решается», — рассказывает соавтор работы, старший преподаватель в Проектном центре по энергопереходу Александр Квашнин.

Группа ученых из Сколтеха и Центра высоких давлений HPSTAR в Пекине проводит эксперименты, чтобы приблизиться к достижению комнатной температуры сверхпроводимости. «Ранее мы исследовали сверхпроводящие гидриды тория, иттрия, церия, лантана-иттрия и лантана-церия при давлении до двух миллионов атмосфер. Максимальная температура, которой нам удалось достичь, была около 253 градусов Кельвина (приблизительно минус 20 градусов Цельсия)», — рассказывает один из авторов исследования и выпускник Сколтеха, научный сотрудник в Центре высоких давлений HPSTAR Дмитрий Семенок.

В новой статье ученые изучили химическое взаимодействие между оловом (Sn) и водородом (H2) под давлением 180–240 гигапаскалей с помощью электротранспортных измерений и синхротронной рентгеновской монокристальной и порошковой дифракции.

«Для экспериментов мы используем алмазные камеры высокого давления с двумя алмазными наковальнями, которые с усилием прижимаются друг к другу. Между ними помещается небольшой образец исследуемого материала. В рамках этой работы мы загружали в камеру жидкий станнан — молекулярный гидрид олова SnH4. При сдавливании алмазов в области диаметром 50 микрометров развивается огромное давление — до 2–2,5 миллиона атмосфер. В результате свойства вещества изменяются и образуются новые соединения олова с водородом. Прозрачная жидкость SnH4 превращается в полупроводник, потом становится металлом, а затем — сверхпроводником с критической температурой в 72 градуса Кельвина. Электротранспортные свойства мы исследовали, используя металлические контакты на алмазе и пропуская электрический ток через образец. Структуру новых гидридов олова мы изучали с использованием монокристальной и порошковой синхротронной дифракции», — описывает процедуру эксперимента Дмитрий Семенок.

По словам исследователей, SnH4 под давлением проявляет необычные свойства: электрическое и магнитное сопротивление этого гидрида в несверхпроводящем состоянии практически линейно зависят от температуры и приложенного магнитного поля соответственно. Верхнее критическое магнитное поле также линейно зависит от температуры, отклоняясь от общепринятых моделей. Поведение тетрагидрида олова оказывается очень похожим на поведение купратных сверхпроводников, которые принято характеризовать как «странные», нефермижидкостные, металлы.

Схема эксперимента. Автор: Дмитрий Семенок

«Странные» металлы проводят электричество не так, как обычные. На рассеяние электронов и электрическое сопротивление в них влияют не только тепловые колебания решетки и электроны, но и другие факторы и экзотические частицы, например сверхпроводящие флуктуации, магноны, волны спиновой и зарядовой плотности.

«Наша работа является одним из первых связующих звеньев между богатой на квантовые эффекты областью купратной сверхпроводимости и гидридной сверхпроводимостью при высоких давлениях. При этом другие сверхпроводящие гидриды с большой практической значимостью (например, супергидрид лантана LaH10) также могут оказаться "странными" металлами. Детальное исследование их свойств еще впереди», — поясняет Дмитрий Семенок.

Ученые планируют продолжать исследования физических свойств сверхпроводящих гидридов металлов с акцентом на квантовые эффекты в них при сверхнизких температурах. Особенный интерес у группы исследователей вызывают гидриды церия, CeH9 и CeH10, большие образцы которых могут быть получены при значительно более низком давлении — около миллиона атмосфер.