Физики создали сверхпроводниковый материал, который спровоцирует научную и технологическую революцию. Однако есть несколько «но»

Давайте сначала разберемся со страшным названием металла.

Лютеций — это серебристо-белый редкоземельный металл, относительно твердый и пластичный. Он имеет несколько интересных свойств, которые делают его полезным в разных областях применения. К примеру, лютеций хорошо поглощает нейтроны, что делает его полезным в ядерных технологиях; также его иногда используют в качестве катализатора в химических реакциях или в некоторых медицинских процедурах визуализации.

Легирование означает введение примесей в материал для изменения его свойств. Это как прибавлять в пищу приправы, чтобы изменить ее вкус.

В случае исследования, о котором пойдет речь ниже, ученые добавили атомы азота в гидрид лютеция, что позволило изменить способ, которым материал проводит электричество. Теоретически это и сделало возможным сверхпроводимость материала при температурах, близких к температуре окружающей среды.

Что такое сверхпроводимость и зачем она нужна?

Сверхпроводимость — это явление, которое наблюдается, когда электрический ток протекает через твердое тело без потерь энергии. Второе важное свойство сверхпроводимости — эффект Мейснера, при котором магнитные поля сверхпроводящего материала удаляются. Да, если над сверхпроводящим материалом поместить небольшой постоянный магнит, сила отталкивания этих силовых линий магнитного поля заставит его левитировать.

Сверхпроводимость чрезвычайно важна не только для ученых, но и для обычной жизни. Например, электричество, текущее по проводам от электростанции до наших домов, или внутри наших компьютеров или смартфонов, обычно сталкивается с трением и сопротивлением. Чем больше это сопротивление, тем больше потери энергии — а значит нужно производить и доставлять больше энергии, чтобы мы получили свет дома или рабочий гаджет.

Однако сверхпроводимость используется не только для создания линий электропередач, но и для разработки разнообразных инновационных технологий типа электрокаров, квантовых компьютеров, МРТ или термоядерных реакторов. А эффект Мейснера позволяет работать над созданием транспорта на магнитной подушке. Чем доступнее сверхпроводимость, тем легче ученым будет использовать ее свойства для улучшения многих сфер нашей жизни.

Что открыли ученые?

В своем исследовании, опубликованном в журнале Nature, команда физиков под руководством Диаса утверждает, что легированный азотом гидрид, который они создали, демонстрирует сверхпроводимость при температуре до почти 21° C.

Это гораздо выше, чем температуры, при которых сверхпроводимость наблюдалась раньше. В то же время материал все еще требует значительного давления — примерно в 10 тыс. раз больше давления земной атмосферы. Однако даже это на порядок ниже тех показателей, которые требуют современные кандидаты в сверхпроводники комнатной температуры, которым нужно давление в миллионы раз выше атмосферного.

Большинство современных сверхпроводящих материалов нуждаются в чрезвычайно низких температурах (-200 °C) и чрезвычайно высокого давления, чтобы производить энергию без потерь. Если то, что открыли ученые, окажется правдой и легированный азотом гидрид лютеция действительно может быть сверхпроводником в гораздо более благоприятных условиях, то это станет настоящей революцией, которая может иметь важные последствия как для науки, так и для более практических технологий.

Дело в том, что если у нас появится сверхпроводящий материал, который можно использовать при температурах, близких к температуре окружающей среды, это значительно уменьшит количество энергии, необходимой для поддержания низких температур и высокого давления, которые обычно нужны для достижения сверхпроводимости в других материалах.

Исследователи назвали свой материал «красным веществом» из-за того, что он резко меняет свой цвет с голубого на розовый, когда он становится сверхпроводящим, и позже красным, когда он становится не сверхпроводящим металлом.

Чтобы достичь сверхпроводимости, команда Диаса сложила тонкую лютециевую фольгу в алмазные тиски и впрыснула туда смесь водорода и азота в пропорциях 99:1, пишет Science. Подняв давление до 2 гигапаскалей и выпекая смесь при 200 °C в течение 3 дней, они создали свой революционный материал, которому оставалось только остыть и «привыкнуть» к пониженному давлению.

Диас утверждает, что их материал продемонстрировал сразу несколько признаков сверхпроводника — нулевое электрическое сопротивление, вытеснение магнитных полей и резкое изменение теплоемкости.

По словам ученого, документ прошел пять раундов рецензирования. Однако из-за предварительных заявлений исследователей в научном сообществе сложилось скептическое отношение к новым открытиям команды. Дело в том, что два с половиной года назад ученые под руководством Диаса утверждали, что им удалось достичь сверхпроводимости при температуре 15 °C.

Однако со временем статья, опубликованная в журнале Nature, была отозвана, ведь другие команды ученых не смогли воспроизвести эксперимент и подтвердить результаты оригинального исследования. Среди выражающих недоверие к новому исследованию — физик Михаил Еремец, работающий в немецком Институте химии Макса Планка. Его команда была среди тех, кому не удалось воспроизвести эксперимент Диаса, что, по словам Еремца, является «главным тестом на валидность».

Именно он является автором предыдущих «сверхпроводниковых» рекордов — под руководством ученого команда в 2015 году создала сероводород, достигший сверхпроводимости сначала при температуре -70°C. А в 2019 году созданный исследователями гидрид лантана проводил энергию без потерь при температуре -23 °C. Однако главным недостатком этого материала является то, что он требует очень высокого давления — 170 гигапаскалей. Это практически делает невозможным использование этих сверхпроводников.

«Это противоречит всему, что я знаю о гидридах», — говорит Лилия Боэри, физик-теоретик из Римского университета Сапиенца. Так, колебания, образующиеся в кристаллической решетке водорода, действуют как клей между парами электронов, позволяя им производить электрический ток без сопротивления.

Согласно последним расчетам, гидридные сверхпроводники под давлением окружающей среды действительно могут существовать, но только при более низких температурах — приблизительно -148 °C. Если температура выше, то этот «вибрационный клей» теряет свои свойства, а спасти ситуацию может только очень высокий уровень давления.

Тем не менее, Диас с коллегами объясняют, что именно для этого в их материале нужен азот. Его атомы очень маленькие по сравнению с атомами лютеция. Благодаря этому атомы азота могут извиваться между атомами лютеция, образуя структуру, похожую на клетку, которая делает остальную решетку более жесткой. Ученые предполагают, что именно это обеспечивает стабильную сверхпроводимость при значительно более низком давлении.

Однако эта гипотеза еще не подтверждена. Одной из самых больших проблем ученых на данном этапе является невозможность узнать точную структуру легированного азотом гидрида лютеция. Проще говоря, исследователи пока не знают, что делает этот материал сверхпроводящим. Для этого нужны дополнительные исследования и, возможно, помощь других ученых. Однако Диас рассказал, что его команда не сотрудничает с другими исследователями, «учитывая частный характер нашего процесса и действующие права интеллектуальной собственности».

Дело в том, что ученый вместе со своим коллегой Ашканом Саламатом из Университета Невады создали компанию Unearthly Materials, с помощью которой в будущем они надеются коммерциализировать свое открытие. Саламат утверждает, что все исходные данные для создания материала есть в интернете, а в статье приведена пошаговая инструкция для всех, кто хочет попытаться воспроизвести сверхпроводниковый металл.

Сам же Диас уверен, что даже несмотря на то, что ученые пока не идеально понимают природу своего материала, он станет важным шагом к будущему со сверхпроводниками, которые могут работать в условиях окружающей среды. Если это действительно так, то слова ученого о том, что мы уже находимся в современной сверхпроводниковой эре, станут действительно правдивыми.