Гидрид тория не вписывается в рамки классической химии

Группа под руководством профессора Сколтеха и МФТИ Артема Оганова и доктора Ивана Трояна из Института кристаллографии РАН смогли синтезировать новый сверхпроводящий материал — декагидрид тория (ThH10) с очень высокой критической температурой (161 К). Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.

Cверхпроводимость — удивительное свойство квантовых материалов, приводящее к полной потере электрического сопротивления в определенных, порой весьма суровых условиях. Такие материалы очень интересны для электроники, так как могут найти применение в квантовых компьютерах и высокочувствительных детекторах. Однако есть большая сложность: проявляется это явление обычно при весьма низких температурах или крайне высоких давлениях. До недавнего времени рекорд удерживал ртутьсодержащий купрат с температурой сверхпроводимости 135 К (–138 градусов Цельсия). Рекорд этого года — минус 13 градусов Цельсия (декагидрид лантана, LaH10), что очень близко к комнатной температуре, но достигается это при очень высоких давлениях почти 2 млн атмосфер, что затрудняет практическое использование этого вещества.

Важно найти сверхпроводимость при температуре и давлении, близких к комнатным. В 2018 году в лаборатории профессора Сколтеха и МФТИ Артема Оганова его сотрудником Александром Квашниным было сделано предсказание нового вещества, полигидрида тория ThH10, с критической температурой –32 градуса Цельсия при давлении 1 млн атмосфер.

В новом исследовании ученым из Института кристаллографии РАН, Сколтеха, МФТИ и Физического института им. П. Н. Лебедева (ФИАН) удалось получить это вещество и исследовать его транспортные свойства и сверхпроводимость. В согласии с теоретическим предсказанием было обнаружено, что ThH10 существует при давлениях выше 0,85 млн атмосфер и является выдающимся высокотемпературным сверхпроводником. Критическую температуру удалось определить только при давлении 1,7 млн атмосфер, где она оказалась равной –112 градусов Цельсия, что совпадает с теоретическим предсказанием для этого давления и уже сейчас ставит ThH10 в ряд рекордных высокотемпературных сверхпроводников.

«Современная теория и, в частности, разработанный мной и моими учениками метод USPEX в очередной раз показывают удивительную предсказательную мощь. Предсказанное вещество ThH10, не вписывающееся в рамки классической химии и обладающее, согласно теории, уникальными свойствами, подтверждено теперь и экспериментом. Причем качество экспериментальных данных, полученных в лаборатории Ивана Трояна, весьма высокое»,— рассказывает соруководитель исследования Артем Оганов.

«Мы увидели предсказанную теорией сверхпроводимость при –112 градусах Цельсия и 1,7 млн атмосфер. Учитывая замечательное согласие теории и эксперимента, интересно узнать, вырастет ли при более низких давлениях сверхпроводимость этого вещества до предсказанных –30–40 градусов Цельсия»,— отметил соруководитель исследования, доктор физико-математических наук Иван Троян.

«Гидрид тория — это лишь отдельное звено большого, динамично развивающегося класса гидридных сверхпроводников. Я считаю, что в ближайшие годы гидридная сверхпроводимость покинет криогенную область и перейдет в плоскость конструирования электронных устройств на их основе»,— подчеркнул автор исследования, аспирант Сколтеха Дмитрий Семенок.

По материалам статьи «Superconductivity at 161K in thorium hydride ThH10: Synthesis and properties»; Dmitry V. Semenok, Alexander G. Kvashnin, Anna G. Ivanova, Volodymyr Svitlyk, Vyacheslav Yu. Fominski, Andrey V. Sadakov, Oleg A. Sobolevskiy, Vladimir M. Pudalov, Ivan A.Troyan, Artem R. Oganov; журнал Materials Today, ноябрь 2019 г.