Версия для печати
Вернуться к списку

Металлический водород — ключ к новой энергетике

В физико-химической среде ведущих научных центров мира вдохновенно обсуждается возможность создания сверхпроводников, работающих при комнатной температуре. Это открывает колоссальные возможности в электротехнике и энергетике. По мнению академика РАН, директора Института высоких давлений РАН Вадима Бражкина, возможно, одна из ближайших Нобелевских премий будет именно за это.

Виктор Стружкин (научный сотрудник Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research, Shanghai, Китай) объяснил «Ъ-Науке» физическую природу явления: «Гидриды могут иметь очень высокие температуры сверхпроводимости из-за того, что легкие атомы водорода (H) имеют очень высокие частоты колебаний, что в рамках фононного механизма сверхпроводимости, описываемого классической теорией Бардина—Купера—Шриффера, приводит к высоким значениям температуры сверхпроводмости. Однако, как было отмечено Ашкрофтом (Ashcroft), важно “сплавить” металлический водород с другими элементами. Именно эта концепция металлического сплава, содержащего высокую концентрацию металлоподобных атомов водорода, и сыграла решающую роль в открытии новых супергидридов с высокой температурой сверхпроводимости».

Старший научный сотрудник Института ядерных исследований РАН и завсектором физики высоких давлений Института кристаллографии ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН Александр Гаврилюк пояснил специально для «Ъ-Науки» вопрос о сверхпроводимости полигидридов редкоземельных элементов La, Y и Ce: «История комнатной сверхпроводимости идет от проблемы металлического водорода, которая состоит в предсказании того факта, что водород при сильном сжатии должен перейти в металлическое состояние, и не просто в металлическое состояние, а в состояние сверхпроводника с температурой сверхпроводимости много больше комнатной температуры. Но и это еще не все; это состояние может быть метастабильным. То есть эта фаза может сохраниться даже при сбросе давления до атмосферного и остаться при этом металлической и сверхпроводящей при температуре выше комнаты. Вот в чем прелесть, есть надежда получить материал с уникальными свойствами сверхпроводника при нормальных условиях.

После того как эта задача была сформулирована, были предприняты грандиозные усилия по развитию и совершенствованию техники высоких давлений и экспериментальных методик, которые можно применить для исследования веществ в этих экстремальных условиях. Были разработаны камеры высокого давления с алмазными наковальнями, отработаны методики зарядки образцов и достижения как можно более высоких давлений. На сегодняшний день достигнуты давления порядка 6 Мбар. Но размеры образцов при таких давлениях чрезвычайно малы — несколько микрон, и практически никакие экспериментальные методики при этом невозможно применить.

К 2012 году стало понятно, что если чистый водород и можно “задавить” в металл, то это будет при давлениях не меньше 4,6 Мбар. Тогда появились разные идеи, как понизить давление перехода. Один из подходов заключается в том, чтобы сжимать не чистый водород, а водород с примесными атомами, которые привносят так называемое химическое давление в эту смесь за счет своих электронных оболочек. В результате вы имеете много водорода и мало примесей, но при этом система как бы уже предварительно сильно сжата за счет взаимодействия с электронной системой примесных атомов (“химическое давление”) и вам нужно только немного добавить обычного внешнего давления, чтобы окончательно осуществить фазовый переход водорода в металлическое состояние. Вот грубо в чем смысл. Конечно же, корректная картина гораздо сложнее, нельзя разделять отдельно водород и отдельно примесные ионы — это единая сложная квантово-механическая система. Но грубый смысл примерно такой.

История открытия сверхпроводимости с рекордными значениями ее температуры началась в 2015 году с открытия сверхпроводимости в гидриде серы SH3 при очень высоких давлениях P~1,5 Мбар (1 Мбар = 1 млн атмосфер) с рекордной на то время температурой перехода Tc ~ 203 K. Это существенно превышало предыдущий рекорд в классических высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП) на основе купратов. Наша группа принимала непосредственное участие в этом событии, а именно мы экспериментально подтвердили сверхпроводимость в SH3 по эффекту экранирования магнитного поля материалом сверхпроводника. В 2019 году были экспериментально открыты переходы в сверхпроводящее состояние в полигидриде лантана LaH10 (Tc~250–260 K) и в полигидриде иттрия YH6 (температура сверхпроводимости ~221 K) также при очень высоких давлениях 1,5–1,7 Мбар. Что подтвердило теоретические предположения о возможности очень высоких величин Tc в этих материалах. Дальнейшее развитие событий — обнаружение сверхпроводящего состояния в тройном соединении S-C-H с температурой сверхпроводимости ~ 14 C (14 градусов Цельсия, а не Кельвина, то есть существенно выше температуры замерзания воды) в 2020 году при давлении выше 2 Мбар. Это уже практически комнатная сверхпроводимость. Энтузиазм в научной среде очень большой, работ, как экспериментальных, так и теоретических, можество, но пока данные исследования носят в основном фундаментальный характер, так как практическое использование сверхпроводника стабильного при таких сверхвысоких давлениях (1,5–2,5 Мбар) маловероятно. Тем не менее этими работами экспериментально доказано, что сверхпроводимость существует при температурах, близких к комнатной. Примерно понятны кристаллические структуры, в которых она существует, и механизм ее стабилизации. Осталось воспроизвести материал с похожей кристаллической и электронной структурой при нормальном давлении».

Профессор «Сколково» Артем Оганов также отметил, что «эти сверхпроводники требуют очень высоких давлений и технологически малоприменимы». Виктор Стружкин также пока не видит перспектив у практического применения новых сверхпроводящих гидридов.

Однако если исследователи найдут в ближайшее время гидриды, которые в метастабильном состоянии и при атмосферном давлении будут демонстрировать комнатную сверхпроводимость, это откроет широкие перспективы к коммерческому применению комнатной сверхпроводимости в народном хозяйстве.