CC BY
0СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ В ПОЛИГИДРИДАХ МЕТАЛЛОВ ВБЛИЗИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И НОВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Троян И.А.1, Любутин И.С.1, Иванова А.Г.1, Пудалов В. М.2'3, Садаков А.В.2, Семенок Д.В 4.
1 Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова, Курчатовский комплекс кристаллографии и фотоники, НИЦ «Курчатовский институт», Москва 119333, Россия.
2 Центр исследований высокотемпературной сверхпроводимости и квантовых материалов им. В. Л. Гинзбурга, ФИАН, Москва 119333, Россия 3 НИУ ВШЭ, Москва 101000, Россия.
4 Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR),
Beijing 100094, China.
В докладе будут представлены новые экспериментальные результаты по исследованию сверхпроводимости в некоторых полигидридах металлов при статических давлениях мультимегабарного диапазона.
В 2004 году Эшкрофт [1] предположил, что вещества с высоким содержанием водорода при высоких давлениях могут проявлять свойства похожие на чистый атомарный металлический водород. Теоретические расчеты [2-4] показывают, что количество водорода в стехиометрических гидридах металлов, стабильных при нормальном давлении, не является достаточным, чтобы воспроизвести уникальные свойства металлического водорода. Новые химические соединения, которые обладают большим содержанием, могут быть синтезированы только при высоких давлениях, и могут обладать высоким значением температуры сверхпроводящего перехода Tc.
Два богатых водородом материала, H3S и LaHio, синтезированные недавно при мегабарных давлениях, произвели революцию в области физики конденсированных сред, и дали первую надежду на решение столетней проблемы сверхпроводимости при комнатной температуре. В последние годы появилось много теоретических работ, предсказывающих новые составы гидридов металлов с высокими значениями Tc. Однако экспериментальный синтез таких соединений и последующие исследования структурных и сверхпроводящих свойств чрезвычайно сложны. Образцы, синтезированные при высоких давлениях в ячейках с алмазными наковальнями, имеют размеры всего несколько микрон, и исследование сверхпроводимости на таких образцах требует от экспериментаторов высочайшего мастерства. Кроме того, структурные исследования нуждаются в синхротронных установках, которые довольно трудно доступны для российских ученых.
В нашей группе для выполнения таких экспериментов подготовлена серия камер высокого давления с алмазными наковальнями (DAC). Для синтеза поигидри-дов в рабочий объем камеры (диаметром около 50 мкм) помещается небольшой кусочек металла размером около 20 мкм в плоскости и около 2 микрон толщиной. Для выделения водорода в камере под давлением используется боран аммония NH3BH3. При высокой температуре это соединение разлагается с выделением атомарного водорода. При заданном давлении лазерный нагрев образцов до 2500 К в камерах осуществляется несколькими импульсами инфракрасного лазера. При высокой температуре и высоком давлении водород вступает в реакцию с металлом, и происходит синтез высших гидридов металлов.
В начальной серии наших экспериментов при высоком давлении синтезированы два новых сверхпроводника гидридов тория с высокими значениями Те [5]. Это соединения ТЬИю с кристаллической структурой Ет3т и ТИН (пр. гр.Рбз/ттс). Экспериментально установлены критические температуры сверхпроводящего перехода Те = 159-161 К для ТЬИю и Те = 146 К для ТИШ. При давлениях 170-175 ГПа для этих соединения установлены также значения верхних критических магнитных полей цНе = 45 и 38 Тесла. Экспериментально показано, что фаза /сс-ТЪНю является стабильной до давления 85 ГПа. Такое сравнительно «низкое» давление делает этот материал уникальным среди всех известных полигидридов металлов с высоким Тс.
В системе полигидридов иттрия нами впервые синтезирован новый высокотемпературный сверхпроводник УНб с температурой сверхпроводящего перехода 224 К при давлении 166 ГПа [6]. Установлено, что при лазерном нагреве металлического иттрия до 2400 К в среде борана аммония при давлениях в области 160-196 ГПа кубическая фаза /шЗга-УНб может образоваться вместе с примесными фазами 14/ттт-УН4 и /тт2-УН7. Обнаружено, что значение Тс = 224 К в YHб неожиданно ниже теоретически предсказанного значения 290 К) [7]. Установлено, что критический ток 1с и его плотность Зс в УНб могут превышать, соответственно, значения 1 А и 2000 А/мм2 при 0 К, что сравнимо с параметрами сверхпроводников, используемых в промышленности, таких как ЭДЪТ и УВСО. Наши эксперименты показали большой потенциал системы У-Н, где увеличение содержания водорода может превратить /!»о!?г-УНб в ГЦК-УН10, который имеет наилучшие шансы стать сверхпроводником при комнатной температуре.
Далее нам также впервые удалось синтезировать и изучить серию новых сверхпроводящих тройных гидридов [8]. Это кубические гексагидрид (Ьа,У)Щ и декагид-рид (Ьа,У)Шо с максимальным значением температурой сверхпроводящего перехода Тс = 253 К и верхним критическим магнитным полем Вс2(0) порядка 135 Тесла при давлении 183 ГПа. По результатам измерения вольт -амперных характеристик для (Ьа,У)Ню установлена величина плотности критического сверхпроводящего тока Зс ~ 12-27.7 кЛ/шш2 при 4.2 К, что сравнимо с известными сверхпроводящими сплавами МэТл и №>3 Бп, используемыми в промышленности. Результаты наших структурных исследований показывают, что гидрид 77даЗда-(Ьа,У)Ню содержит атомы исходных металлов в окружении водородных кластеров Ьа@Нг4 и У@Нзг, что характерно для структур /даЗда-ЬаНб и.РдаЗда-УНю.
Серия полигидридов (Ьа,Ш)Н10 (с примерной концентрацией 6, 5, 8, 9, 20 ат.% №) были получены при высоком давлении ~ 180 ГПа путем импульсного лазерного нагрева в среде давления аммиак-боран КНЗВНЗ в качестве источника водорода для синтеза [9].
Мы обнаружили, что серия наиболее сильных отражений на рентгенограмме соответствует кубической кристаллической структуре, которая типична для декагид-ридов, таких как LaHlo, при давлениях выше 150 ГПа.
Установлено, что добавление неодима приводит к значительному подавлению сверхпроводимости в LaH10, при этом один атомный % № вызывает уменьшение ТС на 10-11 К.
Подавление сверхпроводимости в LaH10 магнитными атомами № и малое изменение Тс по отношению к немагнитным примесям (например:У) указывают на электрон-фононноный механизм сверхпроводимости в синтезированных супергидридах.
В синтезированных образцах гидрида олова SnH4 нами обнаружена сверхпроводимость с Тс около 72 К. Также были выполнены измерения критических пара-
метров сверхпроводимости SnH4 в сильных магнитных полях (в том числе импульсных до 65 Т) при высоких давлениях [10].
Acknowledgments: Авторы выражают глубокую благодарность А.Г. Гаврилюку и В.В. Стружкину за участи в ряде экспериментов, а также теоретикам группы А.Р. Оганова (Сколково) за теоретическую обработку экспериментальных данных.
Работа проводится при финансовой поддержки РНФ (грант № 22-12-00163).
Литература
1. Ashcroft N.W. //Phys. Rev. Lett. - 2004. - № 92. С. - 187002.
2. Liu H., et al. // PNAS. - 2017. - № 114. С. - 6990-6995.
3. Peng F., et al. // Phys. Rev. Lett. - 2017. - № 119. С. - 107001-107007.
4. Wang H., et al. // Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci. - 2018. - № 8. С. -e1330.
5. Semenok D.V., et al. // Materials Today. - 2020. - № 33. С. - 36-43.
6. Troyan I.A., et al. // Advanced Materials. - 2021. - № 2006832. С. - 1-10.
7. Salke N. P., et al. // Nat. Commun. - 2019. - № 10. С. - 4453.
8. Semenok D.V., et al. // Materials Today. - 2021. - № 48. С. - 18-28.
9. Semenok D.V., et al. // Adv. Mater. - 2022. - № 2204038.
10. I. A. Troyan I.A., et al., // Adv. Sci. - 2023. - № 10. С. - 2303622.
