Исследователи создали сверхпроводник из супергидрида церия, устойчивый только при очень высоких давлениях.

Физики из США, России и Китая синтезировали запрещенное классической химией сверхпроводящее соединение водорода и церия.

Иллюстрация. «Невозможный» супергидрид церия. Дизайнер: @tsarcyanide, пресс-служба МФТИ

Кристаллическая структура супергидрида церия CeH9. Атомы церия показаны в виде красных сфер. Черным показаны атомы водорода и химические связи между ними. (Изображение: Иван Круглов, МФТИ и ВНИИА им. Духова)

Современная теория строения вещества полагает, что при чрезвычайно сильном сжатии водород должен стать твердым металлом, причем сверхпроводящим при комнатной температуре. К сожалению, металлизация чистого водорода требует колоссального давления, около 5 миллионов атмосфер. Для сравнения: давление в центре Земли составляет «всего» 3,6 миллионов атмосфер.

Поэтому физики пошли по другому пути, пытаясь синтезировать так называемые запрещенные соединения разных элементов, например, лантана, серы или церия с водородом, с повышенным содержанием последнего. Скажем, классическая химия, исходя из представлений о валентности элементов, считает возможными соединения церия и водорода с формулами CeH₂ и CeH₃. Международному коллективу исследователей из США, России и Китая удалось «упаковать» в супергидрид церия целых девять атомов водорода, получив соединение CeH₉. Об этом они сообщили в журнале Nature Communications.

Хотя сверхпроводящие свойства полученного материала проявляются при охлаждении до −200 градусов Цельсия, он интересен тем, что стабилен при более низком давлении, чем полученные ранее супергидриды серы и лантана. Правда, необходимое для его стабильного существования давление всё равно чудовищно велико – 1 миллион атмосфер.

Для получения супергидрида церия исследователи сжимали между двумя плоскими алмазами (наковальнями) микроскопический кусочек металла церия и вещество, выделяющее при нагревании лазером газообразный водород. По мере увеличения давления в установке образовывались гидриды церия с возрастающим содержанием водорода: CeH₂, CeH₃ и так далее. В конце концов возник супергидрид церия CeH₉.

Структуру полученного вещества исследователи изучили с помощью рентгенодифракционного анализа. Оказалось, что в его кристаллической решетке каждый атом церия окружен своего рода сферической клеткой из 29 атомов водорода. При этом атомы водорода связаны между собой ковалентными связями как в молекуле газообразного водорода H₂, но несколько слабее.

Благодаря созданию методов компьютерного предсказания запрещенных химических соединений, в том числе и разработанного под руководством одного из авторов данной работы профессора Сколтеха и МФТИ Артёма Оганова алгоритма USPEX, исследователи уже досконально изучили почти все гидриды металлов. Теперь они планируют добавить в них еще один химический элемент. Физикам пока почти ничего не известно о свойствах тройных соединений, где помимо водорода присутствуют атомы сразу двух металлов. Поскольку вариантов таких соединений очень много, исследователи планируют использовать алгоритмы искусственного интеллекта для отбора самых перспективных для практического использования материалов.

По материалам совместного пресс релиза Сколтеха и МФТИ.