Выполнен синтез и сверхпроводимость в гексагидриде иттрия

29.11.2022

Международной группой ученых (ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, Сколковский институт науки и технологий, Инновационный центр «Сколково», Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Center for Advanced Radiation Sources, The University of Chicago, USA, Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research, Shanghai, China, Centro de Física de Materiales CFM CSIC-UPV/EHU, Spain, Dipartimento di Fisica, Universita di Roma Sapienza, Roma, Italy, Department of Physics, University of Tokyo, Japan) при высоком давлении был выполнен направленный синтез высокотемпературного сверхпроводника \(Im\bar 3 m\)-YH6.

Экспериментально установлено, что кубический гидрид YH6 может быть приготовлен при давлениях 160-180 ГПа посредством лазерного нагрева металлического иттрия в аммиачно-борной среде (BH3NH3) при температуре выше 2400 K. Такой синтез проводился в камерах высокого давления с алмазными наковальнями. Установлено, что в процессе синтеза наряду с фазой \(Im\bar 3 m\)-YH6, в смеси присутствуют соединения I4/mmm-YH4 и Imm2-YH7. Обнаружено, что гидрид \(Im\bar 3 m\)-YH6, сжатый до 166 ГПа, переходит в сверхпроводящее состояние при температуре TC ~ 224 K. Эта температура неожиданно оказалась более низкой, чем предсказанная теоретически (> 273 K).

В настоящее время это вторая по величине критическая температура, которая была экспериментально достигнута в сжатых гидридах. Эксперимент показывает большой потенциал системы Y-H. С увеличением содержания водорода фаза \(Im\bar 3 m\)-YH6 может превратиться в фазу fcc-YH10, которая имеет наилучшие шансы стать сверхпроводником при комнатной температуре.

Рис. 1. Кристаллическая структура гексагидрида иттрия \(Im\bar 3 m\)-YH6 (а) и экспериментальная зависимость электросопротивления от температуры, демонстрирующая сверхпроводящий переход при давлении 166 ГПа (b).

Сверхпроводимость (СП) – свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при температуре ниже определенного значения TC (критической температуры). Более чем 100-летняя история исследований этого явления пока еще не раскрыла полностью инженерно-технический потенциал применений сверхпроводимости, а микроскопические механизмы возникновения сверхпроводимости продолжают обсуждаться. Предпринятые огромные усилия поиска более высокотемпературных сверхпроводников при нормальном давлении до сих пор не дали новых результатов, после открытия HgBa2CaCuO6+x в 1993 г. (TC = 133 K). Несмотря на огромный потенциальный эффект от применения сверхпроводников в различных областях техники и технологии, масштаб их реального практического применения пока ограничен из-за значительных затрат на охлаждение существенно ниже критической температуры (до минус 196 ℃ или 77 K).

Однако, при высоких давлениях были предсказаны, а затем экспериментально получены новые сверхпроводники с рекордными значениями TC, представляющие собой бинарные полигидриды с аномально высоким содержанием водорода: \(Im\bar 3 m\)-H3S (TC = 203 K), YH6 (TC = 224 K или минус 49 ℃) и LaH10 (TC = 250 K или минус 23 ℃). Эти результаты важны не только ввиду достигнутых рекордных значений TC, но они также наглядно демонстрируют реальную осуществимость сверхпроводимости при температурах порядка комнатной. За 6 лет исследований (2015-2021 гг.) полигидриды стали сложившимся новым классом сверхпроводящих материалов с рекордными критическими параметрами. Нет сомнений, что в этой области нас ждет еще множество захватывающих открытий.

Подробнее в Advanced Materials.