Недавняя публикация в журнале Nature сообщает, что исследователям удалось получить эффект сверхпроводимости при температуре 203 кельвина (−70,15 °C). Это не только рекордно высокая температура для сверхпроводника, но и первый в истории случай, когда сверхпроводимость возникла при температуре, которая возможна в природных условиях.
Эффект сверхпроводимости впервые обнаружил в 1911 году голландский физик Хейке Кеммерлинг-Оннес, которому тремя годами ранее в своей лаборатории в Лейдене удалось получить жидкий гелий и охладить его до рекордной температуры в 1 кельвин. После этого он стал проводить эксперименты, изучая различные свойства веществ, охлажденных жидким гелием. В частности, его интересовало электрическое сопротивление ртути при очень низких температурах. В то время ученым не было ясно, как поведет себя проводник, охлажденный до температуры в несколько кельвинов. Предполагалось даже, что движение электронов совсем прекратится и металл вовсе перестанет проводить электричество.
Охлаждая ртуть жидким гелием, Кеммерлиг-Оннес обнаружил нечто совсем иное. При достижении температуры в 4,15 кельвина электрическое сопротивление ртути исчезало. «Сопротивление ртути практически нулевое», — записал ученый в лабораторном журнале. Кеммерлинг ввел для обнаруженного эффекта термин «сверхпроводимость». А значение температуры, при котором материал превращается в сверхпроводник, стали называть «критической температурой».
Вскоре Кемерлинг-Оннес и его коллеги добились сверхпроводимости в других материалах: свинце, олове, таллии и уране. После этого стало ясным, что критическая температура не едина для всех сверхпроводников, а индивидуальна. И тогда начались поиски экспериментаторов, стремящихся найти материал, который проявлял бы сверхпроводящие свойства при как можно более высокой температуре.
Поиски эти продолжаются и поныне. Сначала была эпоха чистых металлов, в которую рекорд высокой температуры сверхпроводимости установил ниобий (30 кельвинов). После Второй мировой физики приступили к исследованиям бинарных соединений. Тогда они обнаружили максимальную критическую температуру у соединения ниобия с германием Nb3Ge (23 К). Мощный прорыв в этой области в конце 1980-х произошел благодаря работам Карла Александра Мюллера и Георга Беднорц, исследовавшим свойства керамических материалов. Они обнаружили, что у соединения бария, лантана, меди и кислорода критическая температура равна 35 К (−238 °C). Работы Мюллера и Беднорца по керамическим сверхпроводникам вызвали множество экспериментов по всему миру.
Менее чем через год после публикации статьи Мюллера и Беднорца был достигнут важный рубеж. У Маокунь (Maw-Kuen Wu) и Пол Чжу (Paul Chu) вместе со своими аспирантами в Университете Алабамы в Хантсвилле обнаружили, что оксид иттрия-бария-меди (формула YBa2Cu3O7-x, в статьях по физике часто обозначается YBCO) становится сверхпроводником при температуре 93 К. Значение этого открытия в том, что критическая температура YBCO выше точки кипения азота (77 К). А значит, для охлаждения сверхпроводника больше не нужно использовать жидкий гелий или водород, достаточно жидкого азота. С тех пор все сверхпроводники с критической температурой выше 77 К называют высокотемпературными сверхпроводниками.
Хронология открытия некоторых сверхпроводников и их критические температуры
В 1988 году Пола Гранта и его коллеги в исследовательском центре IBM в Альмадене обнаружили материал CaBaCuO с критической температурой 125 К. Еще через несколько лет в МГУ ученые под руководством Евгения Антипова и Сергея Путилина создали соединение HgBa2Ca2Cu3Ox, которое становится сверхпроводником при 135 К. А если это же вещество поместить под давление в 40 гигапаскалей, то его критическая температура повышается до 166 К.
Авторами нового исследования стали Александр Дроздов, Михаил Еремец, Иван Троян, Вадим Ксенофонтов и Сергей Шилин. Они работают в Институте химии Общества Макса Планка (Майнц) и Институте неорганической и аналитической химии Университета Иоганна Гуттенберга. Оба научных учреждения находятся в Майнце. Ученые обнаружили, что при температуре 203 кельвина (−70,15 °C) и давлении в 150 гигапаскалей (около 1,5 млн. атмосфер) в сверхпроводящее состояние переходит сероводород, знакомый нам при обычных условиях в виде газа с неприятным запахом. Таким образом, удалось добиться сверхпроводимости при рекордно высокой температуре, которая порой встречается в Антарктиде (рекорд холода, зафиксированный на станции «Восток», равен −89,2 °C), но давление, при котором возникает сверхпроводимость все-таки сверхвысокое. Рекорд максимальной критической температуры при обычном давлении по-прежнему принадлежит соединению, открытому Антиповым и Путилиным.
В статье, которая сопровождает публикацию Александра Дроздова и его коллег, физик Игорь Мазин называет обнаружение сверхпроводимости у сероводорода открытием святого Грааля. Фань Чжан из Техасского университета в Далласе называет это открытие историческим. Действительно, авторам удалось найти высокотемпературный сверхпроводник не там, где их искали последние десятилетия: среди керамик на основе оксидов металлов. Возможно, это достижение откроет новый класс сверхпроводников и позволит взять новые высоты критической температуры.
Уже сейчас на сайте препринтов arXiv.org есть работы, где предсказывается возможная сверхпроводимость у соединений с водородом других элементов: платины, калия, селены и теллура. Еще в одной работе Фань Чжан и Юйгуй Яо из Пекинского технологического института предсказывают, что замена 7,5 % атомов серы в сульфиде водорода на атомы фосфора, а также повышение давления е до 2,5 миллионов атмосфер (250 ГПа) смогут поднять критическую температуру до 280 К (6,85 °C), то есть выше точки замерзания воды.
