Команда российских ученых из Сколтеха совместно с китайскими коллегами разработала новые сверхпроводники из соединений водорода и редкоземельного металла празеодима, причём одно из веществ является неожиданным с точки зрения классической химии.
Существует теория, что водородные соединения могут быть отличными сверхпроводниками — веществами, у которых при охлаждении до определённой температуры полностью пропадает электрическое сопротивление. За счёт этого они способны передавать электричество без потерь, что делает их перспективными материалами для энергосетей. Есть и проблема, которую учёные всё ещё не смогли решить — температура, при которой вещество становится сверхпроводником. Для большинства соединений она очень низкая, поэтому применяемые на практике сверхпроводники обычно охлаждают жидким гелием, при этом нужно использовать дорогое и сложное оборудование. Физики пытаются найти вещество, являющееся сверхпроводником при комнатной температуре. Один из кандидатов — металлический водород, но его создание требует огромных давлений свыше 4 миллионов атмосфер.
Группа учёных из Сколтеха вместе с китайскими исследователями сообщила о создании соединений водорода с празеодимом, металлом из группы лантаноидов, и изучении их физических свойств. Они синтезировали несколько соединений, которые отличались друг от друга соотношением атомов двух элементов. Для этого в специальную камеру помещали образцы, состоящие из металлического празеодима и водорода. Их сжимали между двумя конусообразными алмазами, таким образом повышая давление до 40 ГПа, и нагревали с помощью лазера. Вещества сжимались и вступали в реакцию, образуя соединение PrH3. Однако в таких экспериментах алмазы часто становятся хрупкими из-за контакта с водородом и разрушаются, поэтому учёные заменили чистый водород бораном аммония — соединением, содержащим большое количество водорода, который выделяется при нагревании и вступает в реакцию с празеодимом.
Повысив давление, исследователи получили вещество PrH9. Таким же способом учёные ранее синтезировали соединения водорода с лантаном — металлом из той же группы. Особенность полученных молекул в том, что они невозможны с точки зрения классической химии и не объясняются её правилами. Формально электронное строение атома празеодима не позволяет ему образовывать такое большое количество связей с другими атомами. Однако существование подобных «неправильных» соединений можно предсказать сложными квантовыми расчетами и подтвердить экспериментами. Наконец, учёные исследовали сверхпроводимость созданных веществ.
Для этого они измеряли электрическое сопротивление при разных температурах и давлении. Исследователи выяснили, что гидрид празеодима переходит в состояние сверхпроводника при температуре в -264 °С, что намного ниже температуры сверхпроводимости гидрида лантана LaH10, но вместе с тем сами вещества химически и структурно очень похожи. Авторы исследования изучили, чем обусловлена такая разница в характеристиках. Сопоставив результаты этого исследования с другими, учёные выяснили, что положение металла в таблице Менделеева и его свойства играют принципиальную роль. Оказалось, что атомы празеодима не просто являются донорами электронов: в отличие от своих соседей лантана и церия, они несут небольшие магнитные моменты, которые подавляют сверхпроводимость, а потому температура ее появления падает.
По результатам исследования учёные сделали два основных вывода. Во‑первых, возможно возникновение аномальных соединений, состав которых никак не связан с валентностями, то есть допустимым количеством связей одного атома с другими атомами. Во‑вторых, подтверждён новый принцип создания сверхпроводников — металлы из «пояса лабильности» между II и III группами таблицы Менделеева подходят для этого лучше всех остальных. Из лантаноидов ближе всего к нему лантан и церий. В дальнейших исследованиях будет использована информация при получении новых высокотемпературных сверхпроводников.