Науковці вперше виміряли надпровідну щілину у сполуках багатих на водень

Міжнародна група науковців здійснила визначний прорив у розумінні високотемпературної надпровідності у матеріалах, багатих на водень. Використовуючи метод електронної тунельної спектроскопії під високим тиском, дослідники з Інституту хімії імені Макса Планка вперше змогли виміряти надпровідну щілину в сполуці H3S — матеріалі, який встановив рекорд надпровідності під високим тиском у 2015 році та став основою для подальших досліджень високотемпературних надпровідних гідридів.

Надпровідники — це матеріали, які можуть проводити електричний струм без опору, що робить їх незамінними для багатьох технологічних застосувань, включаючи передачу та зберігання енергії, магнітну левітацію та квантові обчислення. Однак зазвичай це явище спостерігається за температур значно нижчих за кімнатну, що обмежує їх широке практичне використання.

Відкриття надпровідності у сполуках, багатих на водень, таких як сульфід водню (H3S), який стає надпровідним при 203 Кельвінах (-70° Цельсія), та декагідрид лантану (LaH10), що досягає надпровідності при 250 Кельвінах (-23° Цельсія), стало революційним кроком на шляху до досягнення надпровідності за кімнатної температури. Оскільки температура переходу значно перевищує температуру кипіння рідкого азоту, науковці називають їх високотемпературними надпровідниками.

Ключем до розуміння надпровідності є надпровідна щілина — фундаментальна властивість, яка показує, як електрони утворюють пари для формування надпровідного стану. Це є ознакою, що дозволяє відрізнити надпровідний стан від інших металевих станів.

Проте вимірювання надпровідної щілини у матеріалах, багатих на водень, як-от H3S, досі залишалося надзвичайно складним завданням. Ці сполуки необхідно синтезувати безпосередньо під час експерименту при надзвичайно високому тиску — більше ніж мільйон разів вищому за атмосферний. Це унеможливлювало застосування традиційних методів вимірювання щілини, таких як сканувальна тунельна спектроскопія та спектроскопія фотоемісії з кутовим розділенням.

Щоб подолати цю перешкоду, науковці з Інституту Макса Планка в Майнці розробили метод планарної електронної тунельної спектроскопії, здатної працювати за таких екстремальних умов. Це досягнення дозволило їм вперше дослідити надпровідну щілину в H3S, надавши безпосередній доступ до розуміння надпровідного стану у сполуках, багатих на водень.

Використовуючи цю методику, дослідники виявили, що H3S має повністю відкриту надпровідну щілину зі значенням приблизно 60 міліелектронвольт (меВ), тоді як його дейтерієвий аналог, D3S, показує щілину близько 44 меВ. Дейтерій — це ізотоп водню, який має на один нейтрон більше.

Той факт, що щілина в D3S менша, ніж у H3S, підтверджує, що механізм надпровідності в H3S спричинений взаємодією електронів з фононами — квантованими коливаннями атомної ґратки матеріалу. Це підтверджує давні теоретичні передбачення.

Для дослідників з Майнца цей прорив є не лише технічним досягненням — він також закладає основу для повного розуміння природи високотемпературної надпровідності в матеріалах, багатих на водень.

«Ми сподіваємося, що розширення застосування цієї методики тунельної спектроскопії на інші надпровідні гідриди дозволить визначити ключові фактори, які уможливлюють надпровідність за ще вищих температур. Це має зрештою сприяти розробці нових матеріалів, які зможуть працювати за більш практичних умов», — зазначає доктор Фен Ду, перший автор опублікованого дослідження.

Доктор Михайло Єремець, піонер у галузі надпровідності під високим тиском, який пішов з життя в листопаді 2024 року, охарактеризував це дослідження як «найважливішу роботу в галузі надпровідності гідридів з часу відкриття надпровідності в H3S у 2015 році».

Василь Мінков, керівник проєкту з хімії та фізики високих тисків в Інституті хімії імені Макса Планка, прокоментував: «Бачення Михайла щодо надпровідників, які працюють за кімнатної температури та помірного тиску, стає на крок ближчим до реальності завдяки цій роботі».