Ученые исследовали сверхпроводящие свойства кристаллов в системе La-Mg-H
Исследование устойчивости существующих при высоких давлениях соединений водорода, лантана и магния (La-Mg-H) и их сверхпроводящих свойств провела с использованием суперкомпьютера команда в составе российских ученых из Сколтеха и МФТИ и их коллег из китайского Центра передовых исследований в области науки и технологий высокого давления, 17 января сообщает журнал МФТИ «За науку».
Проведенные учеными расчеты показали, какие условия необходимы для стабильности образованных этими тремя элементами соединений, некоторые из которых являются сверхпроводниками. При этом пять гидридов лантана или магния (без атомов второго металла) ученые описали впервые.
Исследование, результаты которого коллектив представил в статье «Тройные сверхпроводящие гидриды в системе La-Mg-H», опубликованной в журнале Materials Today Physics, направлено на поиск сверхпроводников, работающих при комнатной температуре. Такие материалы способны совершить прорыв в электроэнергетике, транспорте, компьютерной технике и других областях науки и техники.
Научный руководитель исследования, профессор Сколтеха Артём Оганов так прокомментировал проделанную коллективом работу:
«В системе магний-лантан-водород, которая прежде не исследовалась, самым высокотемпературным сверхпроводником оказался LaMg₃H₂₈. У этого материала электрическое сопротивление становится нулевым при охлаждении до −109 °C и давлении 2 млн атмосфер. Такая температура сверхпроводящего перехода — не рекорд, но тоже вполне неплохо».
Он добавил, что их команда исследователей, которая проводила расчеты с использованием эволюционного алгоритма USPEX, получила подтверждение существующего эмпирического правила для поиска новых высокотемпературных сверхпроводников, что стало важным достижением.
Также ими были открыты 5 новых бинарных (двухэлементных) высокотемпературных сверхпроводящих гидридов, которые стабильны при различных давлениях, в том числе LaH₁₃ и MgH₃₈. Но теоретическое обоснование таких свойств этих соединений ученым еще предстоит найти.
«Кроме того, мы предложили новый подход для изучения сверхбольших химических пространств и показали его эффективность на системе La-Mg-H», — дополнил рассказ руководителя исследований один из авторов работы, заведующий лабораторией компьютерного дизайна материалов МФТИ Иван Круглов.
Эмпирическое правило, которое удалось подтвердить в ходе исследований, связано с переносом электронов. В случае исследованных соединений атомы водорода забирают электроны у атомов обоих металлов. Согласно этому правилу, для максимума сверхпроводимости в подобного рода веществах нужны слабые ковалентные связи между атомами водорода, образующие объемную сеть.
Однако атом водорода может забрать целый электрон у лантана или магния, образовав гидрид-анион — отрицательный ион водорода, который уже не будет образовывать химические связи.
Кроме того, не получив от металла электроны, атомы водорода могут удовлетворить потребность в химических связях, образуя молекулы H₂. В этих двух случаях высокотемпературной сверхпроводимости уже не будет.
«Оказывается, что есть своего рода золотая середина, когда на каждый атом водорода приходится в среднем одна треть электрона, — разъяснил феномен Оганов. — Чем ближе к этому значению, тем лучше для сверхпроводимости. На эту особенность обратили внимание какое-то время назад, и своей новой работой мы подтверждаем правило, причем на сравнительно сложной химической системе».
