Фізики створили надпровідниковий матеріал, який спровокує наукову та технологічну революцію. Проте є кілька «але»

Давайте спочатку розберемося зі страшною назвою металу.

Лютецій — це сріблясто-білий рідкоземельний метал, який є відносно твердим та пластичним. Він має кілька цікавих властивостей, які роблять його корисним у різних сферах застосування. Наприклад, лютецій добре поглинає нейтрони, що робить його корисним в ядерних технологіях; також його іноді використовують як каталізатор у хімічних реакціях або у деяких медичних процедурах візуалізації.

Легування означає введення домішок у матеріал для зміни його властивостей. Це як додавати у їжу приправи, щоб змінити її смак.

У випадку дослідження, про яке піде мова нижче, вчені додали атоми азоту до гідриду лютецію, що дозволило змінити спосіб, у який матеріал проводить електрику. Теоретично це і зробило можливим надпровідність матеріалу при температурах, близьких до температури навколишнього середовища.

Що таке надпровідність і для чого вона потрібна?

Надпровідність — це явище, яке спостерігається, коли електричний струм протікає крізь тверде тіло без втрат енергії. Друга важлива властивість надпровідності — ефект Мейснера, при якому магнітні поля надпровідного матеріалу видаляються. Так, якщо над надпровідним матеріалом помістити невеликий постійний магніт, сила відштовхування цих силових ліній магнітного поля змусить його левітувати.

Надпровідність є надзвичайно важливою не тільки для вчених, але й для звичайного життя. Наприклад, електрика, що тече по проводах від електростанції до наших домівок, або всередині наших комп’ютерів чи смартфонів, зазвичай стикається з тертям та опором. Чим більшим є цей опір, тим більшими є втрати енергії — а значить потрібно виробляти та доставляти більше енергії, щоб ми отримали світло вдома або робочий гаджет.

Проте надпровідність використовується не тільки для створення ліній електропередач, але й для розробки різноманітних інноваційних технологій на кшталт електрокарів, квантових комп’ютерів, МРТ чи термоядерних реакторів. А ефект Мейснера дозволяє працювати над створенням транспорту на магнітній подушці. Чим доступнішою буде надпровідність, тим легше вченим буде використовувати її властивості для покращення багатьох сфер нашого життя.

Що ж відкрили вчені?

У своєму дослідженні, опублікованому в журналі Nature, команда фізиків під керівництвом Діаса стверджує, що легований азотом гідрид лютецію, який вони створили, демонструє надпровідність при температурі до майже 21 °C.

Це набагато вище, ніж температури, при яких надпровідність спостерігалася раніше. Водночас матеріал все ще вимагає значного тиску — приблизно в 10 тис. разів більше за тиск земної атмосфери. Проте навіть це є на порядок нижчим за ті показники, що вимагають сучасні кандидати у надпровідники кімнатної температури, яким потрібен тиск у мільйони разів вищий за атмосферний.

Більшість сучасних надпровідних матеріалів потребують надзвичайно низьких температур (-200 °C) та надзвичайно високого тиску, щоб проводити енергію без втрат. Якщо те, що відкрили вчені, виявиться правдою і легований азотом гідрид лютецію дійсно може бути надпровідником у набагато більш сприятливих умовах, то це стане справжньою революцією, яка може мати важливі наслідки як для науки, так і для більш практичних технологій.

Річ у тім, що якщо у нас з’явиться надпровідний матеріал, який можна буде використовувати при температурах, близьких до температури навколишнього середовища, це значно зменшить кількість енергії, необхідної для підтримання низьких температур та високого тиску, які зазвичай потрібні для досягнення надпровідності в інших матеріалах.

Дослідники назвали свій матеріал «червоною речовиною» через те, що він різко змінює свій колір з блакитного на рожевий, коли він стає надпровідним, і пізніше на червоний, коли він стає не надпровідним металом.

Щоб досягти надпровідності, команда Діаса склала тонку лютецієву фольгу в алмазні лещата та впорснула туди суміш водню та азоту у пропорціях 99:1, пише Science. Піднявши тиск до 2 гігапаскалів і випікаючи суміш при 200 °C протягом 3 днів, вони створили свій революційний матеріал, якому залишалося лише охолонути та «звикнути» до зниженого тиску.

Діас стверджує, що зрештою їхній матеріал продемонстрував одразу кілька ознак надпровідника — нульовий електричний опір, витіснення магнітних полів та різка зміна тепломісткості.

За словами вченого, документ пройшов п’ять раундів рецензування. Проте через попередні заяви дослідників, у науковій спільноті склалося скептичне ставлення до нових відкриттів команди. Річ у тім, що два з половиною роки тому науковці під керівництвом Діаса стверджували, що їм вдалося досягти надпровідності при температурі 15 °C.

Проте з часом стаття, опублікована у журналі Nature була відкликана, адже інші команди вчених не змогли відтворити експеримент та підтвердити результати оригінального дослідження. Серед тих, хто висловлює недовіру до нового дослідження — фізик Михайло Єремець, який працює в німецькому Інституті хімії Макса Планка. Його команда була серед тих, кому не вдалося відтворити експеримент Діаса, що, за словами Єремця є «головним тестом на валідність».

Саме він є автором попередніх «надпровідникових» рекордів — під керівництвом вченого команда у 2015 році створила сірководень, який досяг надпровідності спочатку за температури -70°C. А у 2019 створений дослідниками гідрид лантану проводив енергію без втрат при температурі -23 °C. Проте головним недоліком цього матеріалу є те, що він вимагає дуже високого тиску — аж 170 гігапаскалів. Це практично унеможливлює використання цих надпровідників.

«Це суперечить усьому, що я знаю про гідриди», — каже Лілія Боері, фізик-теоретик з Римського університету Сапієнца. Так, коливання, які утворюються в кристалічній решітці водню, діють як клей між парами електронів, дозволяючи їм проводити електричний струм без опору.

Згідно з останніми розрахунками гідридні надпровідники під тиском навколишнього середовища дійсно можуть існувати, але лише при нижчих температурах — приблизно -148 °C. Якщо температура є вищою, то цей «вібраційний клей» втрачає свої властивості, а врятувати ситуацію може лише надзвичайно високий рівень тиску.

Проте Діас з колегами пояснюють, що саме для цього у їхньому матеріалі потрібен азот. Його атоми надзвичайно маленькі у порівнянні з атомами лютецію. Завдяки цьому атоми азоту можуть звиватися між атомами лютецію, утворюючи структуру, схожу на клітку, яка робить решту решітки жорсткішою. Вчені припускають, що саме це забезпечує стабільну надпровідність при значно нижчому тиску.

Проте ця гіпотеза ще не є підтвердженою. Однією із найбільших проблем вчених на цьому етапі є неможливість дізнатися точну структуру легованого азотом гідриду лютецію. Простіше кажучи, дослідники поки що не знають, що саме робить цей матеріал надпровідним. Для цього потрібні додаткові дослідження — і, можливо, допомога інших вчених. Проте Діас розповів, що його команда не співпрацювати з іншими дослідниками, «враховуючи приватний характер нашого процесу та чинні права інтелектуальної власності».

Річ у тім, що вчений разом зі своїм колегою, Ашканом Саламатом з Університету Невади, створили компанію Unearthly Materials, за допомогою якого у майбутньому вони сподіваються комерціалізувати своє відкриття. Саламат стверджує, що усі вихідні дані для створення матеріалу є в інтернеті, а у статті наведено покрокову інструкцію для всіх, хто хоче спробувати відтворити надпровідниковий метал.

Сам же Діас впевнений, що, навіть попри те, що вчені поки що неідеально розуміють природу свого матеріалу, він стане важливим кроком до майбутнього із надпровідниками, які можуть працювати в умовах навколишнього середовища. Якщо це дійсно так, то слова вченого про те, що ми «вже перебуваємо у сучасні надпровідниковій ері», стануть дійсно правдивими.