Свръхпроводимостта е специфично състояние на веществото, при което електрическият ток протича през материала с нулево съпротивление. В ежедневната техника проводниците от мед или алуминий неизбежно се нагряват, когато по тях протича ток. Причината за това нагряване е, че движещите се електрони постоянно се сблъскват с колебаещите се атоми на кристалната решетка и с дефекти в структурата. За тези микроскопични сблъсъци се изразходва значителна част от произвежданата енергия.

В свръхпроводника съпротивлението изчезва напълно. Токът, пуснат по затворен контур, може да циркулира десетилетия наред без никакви загуби и без да е свързан към контакт.

Само че дълго време това явление беше строго ограничено: то се наблюдаваше само при охлаждане на материали с течен хелий или течен азот до температури, близки до абсолютната нула. Създаването на проводник, способен да работи без съпротивление при стайна температура, би отворило пътя към електроенергийни мрежи без загуби при преноса на енергия, компактни термоядрени реактори, свръхмощни магнити за високоскоростни влакове и мощни изчислителни системи.

Новите достижения

През последните години физиците постигнаха фундаментален резултат в изследването на хидридите, съединения на водород с метали, пресовани в диамантени наковални при налягане от милиони атмосфери. Синтезираният тройен хидрид на лантан и скандий със състав LaSc₂H₂₄ запазва свръхпроводящо състояние при температура плюс седемнадесет градуса по Целзий (290 K) под налягане от два и половина милиона атмосфери (250 GPa).

Група учени от университетите в Цзилин и Чжъцзян проведе подробни теоретични изчисления и разясни вътрешната причина за този рекорд. Оказа се, че атомите на скандия са променили кристалната и електронната структура на веществото, премахвайки бариерата, която ограничава температурата на свръхпроводимостта в другите съединения.

Физическата основа: защо водородът е идеален за свръхпроводимостта

В класическите свръхпроводници електроните се обединяват в свързани двойки, наречени „куперови“. При нормални условия два електрона се отблъскват един от друг, тъй като и двата носят еднакъв отрицателен електрически заряд. Само че вътре в кристалната решетка влиза в действие взаимодействието с положителните йони на веществото.

Когато един отрицателен електрон преминава през решетката, той привлича към себе си околните положително заредени йони. Йоните имат маса, която хиляди пъти надвишава масата на електрона, затова те се изместват със закъснение. Когато електронът вече е преминал по-нататък, в решетката за кратък миг остава локално струпване на положителен електрически заряд.

Към тази временно намагнитена с положителен заряд област успява да се привлече втори електрон. Така двата електрона косвено се привличат един към друг чрез еластичните колебания на кристалната решетка. Квантите на тези колебания във физиката се наричат фонони, а самият процес на взаимодействие е електрон-фононна връзка.

Температурата, при която веществото може да остане свръхпроводник, зависи пряко от две характеристики:

1. Честотата, с която колебаят атомите в кристалната решетка.
2. Силата на сцепление между движещите се електрони и тези колебания. Честотата на колебанията на всеки атом зависи пряко от неговата маса: колкото по-лека е частицата, толкова по-бързо се колебае при едно и също външно въздействие. Водородът е най-лекият химичен елемент във Вселената, ядрото му се състои само от един протон. Съответно честотата на колебанията на водородната решетка е максимална сред всички вещества.

Още в края на 60-те години физиците предсказаха, че ако водородът успее да бъде превърнат в метално състояние, той ще стане свръхпроводник при стайна температура.

Проблемът се състоеше в това, че в обичайното си състояние водородът се състои от стабилни двувалентни молекули, в които електроните са здраво задържани между двойки ядра. За да се откъснат тези електрони, да се накарат да се движат свободно из кристала и да се превърне газът в проводящ метал, е необходимо да се създаде колосално статично налягане, над 5 милиона атмосфери. Постигането и поддържането на такова налягане в стабилен лабораторен експеримент е изключително трудно.

Решението се оказа използването на хидриди, съединения, в които водородът е свързан с атоми на метали. В такива кристали атомите на метала отдават своите електрони на общата структура и действат като геометрични центрове, около които се групират атомите на водорода. Металът създава вътре в кристала ефект на допълнително химическо сгъстяване, което позволява метализирането на водорода при много по-достъпни налягания.

Бариерата от декахидрид на лантан: проблемът с двете енергийни зони

Първият голям успех в тази насока беше синтезът на декахидрид на лантана (LaH₁₀). При налягане от 1,9 милиона атмосфери този материал демонстрира свръхпроводимост при температура минус тринадесет градуса Целзий (260 K).

Вътре в кристала всеки тежък атом лантан се намира в правилна пространствена клетка, състояща се от 32 атома водород.

Само че дълго време не успяваха да подобрят този рекорд. Изчисленията показаха, че бинарните системи, състоящи се само от два елемента, се сблъскват с вътрешно физическо ограничение.

За свръхпроводимостта е важно не просто наличието на свободни електрони, а тяхното поведение на най-високите достъпни енергийни нива – на повърхността на Ферми. За да се разруши куперовата двойка електрони и материалът да се върне в обичайното си проводимо състояние, е необходимо да се изразходва определена минимална енергия. Във физиката на твърдото тяло тази величина се нарича свръхпроводяща енергийна зона.

Колкото по-широка е тази енергийна празнина (на места енергокна зона), толкова по-интензивно термично движение се изисква за разкъсване на връзката между електроните и толкова по-висока е граничната температура на свръхпроводимостта на материала.

В декахидрида на лантана електроните на проводимостта се оказаха разделени на две отделни групи с напълно различни физични свойства

• Първата група електрони се намира на нива, образувани от припокриването на орбиталите на лантана и водорода. Силата на тяхното взаимодействие с колебанията на решетката е сравнително ниска: числовият параметър на връзката е около две единици.
• Втората група се състои от електрони, принадлежащи изключително към чистата водородна решетка. Тук взаимодействието с колебанията на решетката беше огромно: силата на връзката достигаше шест-осем единици.

Поради факта, че тези две групи електрони почти не взаимодействат помежду си, в материала възникват две независими енергийни зони: една голяма и една малка. Това състояние физиците наричат двузонова свръхпроводимост.

Слабата зона с малката енергийна празнина се превърна в уязвимото място на цялата система. При повишаване на температурата куперовите двойки в нея се разрушаваха много по-рано, отколкото в основната водородна част. В резултат на това слабата зона действа като ограничител, не позволявайки на материала да разкрие целия температурен потенциал на силно свързаната водородна решетка.

Архитектурата на тройния кристал и ефектът на Ян-Теллер

За да отстранят този дефект, изследователите създадоха тройно съединение, като добавиха към структурата на лантана и водорода преходния метал скандий. Скандият е значително по-малък от лантана по размер на атома, а външните му d-електрони притежават висока химическа подвижност.

Полученото съединение LaSc₂H₂₄ кристализира под формата на слоеста хексагонална структура. Металните атоми в нея се подреждат по схема, която повтаря решетката на магнезиевия диборид: позициите на магнезия се заемат от лантана, а тези на бора, от скандия.

Водородната подсистема в този кристал вече не представлява непрекъсната затворена клетка, а се е разделила на три различни нива:

• плоски шестоъгълни водородни пръстени, разположени над атомите на лантана;
• водородни триъгълници, намиращи се непосредствено над скандия;
• междинни двойки водородни атоми, разположени между слоевете.

Ефектът на Ян Телер

Въвеждането на скандия предизвика проявата на фундаментален квантов закон в материала, ефектът на Ян-Телер. Ако кристалната решетка притежава висока симетрия, но електроните в нея се намират в изродени състояния с еднаква енергия, за кристала е енергийно изгодно да се деформира.

Променяйки геометрията си, решетката разделя съвпадащите енергийни нива, в резултат на което общата вътрешна енергия на системата намалява, а нейната стабилност се увеличава.

В кристала LaSc₂H₂₄ този ефект доведе до анизотропно изместване на атомните слоеве един спрямо друг. Разстоянието между слоевете водород се увеличи, поради което химичните връзки между атомите на водорода се удължиха до дължина от 1,20 Å. За химична връзка това е много голямо разстояние: в обикновена молекула водород дължината на връзката е едва 0,74 Å.

Численият анализ на електронната плътност показа, че по протежение на тези удължени връзки електроните престават да бъдат обвързани с конкретни атомни ядра. Тяхното поведение започва да съответства на състоянието на свободен електронен газ.

Деформацията доведе до това, че концентрацията на подвижните проводими електрони на водорода на горните енергийни нива се увеличи с двадесет и пет процента в сравнение с декахидрида на лантана. Водородната подрешетка премина в още по-изразено метално състояние.

Значение на откритието и практическите предизвикателства

Досега търсенето на свръхпроводници сред хидридите до голяма степен се извършваше чрез метода на „сляпото“ компютърно претърсване: изследователите комбинираха на случаен принцип елементи от периодичната система, надявайки се на подходяща кристална структура.

Изследването на LaSc₂H₂₄ за първи път предоставя ясна логика за конструирането на материали:

Тежкият редкоземен метал в структурата е необходим като скелет, който задържа голям брой водородни атоми в ограничен обем.

1. Легиращият преходен метал, благодарение на ефекта на Ян-Телер, принудително удължава връзките между атомите на водорода, което намалява честотата на техните колебания и рязко усилва силата на свързване на електроните.
2. Орбиталите на преходния метал трябва да се припокриват с тези на водорода в няколко посоки, обединявайки електронните зони на кристала в единна еднопрорезна структура без слаби зони.

Основната пречка за практическото приложение на открития материал остава гигантското механично налягане

Стойност от 250 GPa може да се постигне единствено в микроскопични диамантени наковални, където обемът на изследваната проба не надвишава този на песъчинка. В такива условия е невъзможно да се изработи проводник или кабел.

Само че теоретичният модел на скандиевия хидрид посочва пътя към решаването на този проблем. Механичното налягане от милиони атмосфери изпълнява две физични задачи: задържа атомите близо един до друг и сгъстява електронните обвивки, принуждавайки материала да проводи ток.

Ако се премине от трикомпонентни системи към сложни състави от четири или пет елемента (например чрез добавяне на въглерод, бор или азот), външното налягане на диамантените наковални може да се опита да се замени с вътрешно химическо налягане на здрави междуатомни връзки.

Учените доказаха, че свръхпроводимостта при стайна температура е физически възможна в рамките на стандартните закони на природата. Сега фундаменталната задача на физиката на материалите се свежда до това да се възпроизведе аналогична геометрия на атомните орбитали и колебанията на решетката в съединения, способни да запазят стабилност при нормално стайно налягане.