Открытие рекордно высокотемпературного сверхпроводника

Сверхпроводимость очень долгое время не поддавалась теоретическому осмыслению, и теория сверхпроводимости была впервые предложена лишь в 1957 году Бардином, Купером и Шриффером. За эту теорию они также удостоились Нобелевской премии. Согласно этой теории сверхпроводимость возникает благодаря электрон-фононному взаимодействию при взаимодействии электронов и колебаний решетки.

Знаменитый ученый в этой области Макмиллан в 1968 году предположил, что максимальная температура сверхпроводимости будет всего лишь 28 К. То есть выше этой температуры электрон-фононный механизм никогда не сможет обеспечивать сверхпроводимость. По тем временам, в 1968 году, это полностью описывало экспериментальные наблюдения — действительно, самые высокотемпературные сверхпроводники на тот момент не имели сверхпроводимости выше 28 К. Впрочем, многие знаменитые ученые еще в то время дискутировали с Макмилланом и указывали на некорректность его вывода. В их числе был и наш Гинзбург, и многие другие великие ученые. Эксперимент также опроверг выводы Макмиллана. Когда в 2001 году была открыта сверхпроводимость в дибориде магния (MgB2), температура сверхпроводимости составила 39 К.

Но разговоры о том, что электрон-фононный механизм имеет некую верхнюю планку, выше которой сверхпроводимость такого рода уже не может быть, продолжались вплоть до самого последнего времени, несмотря на то что были самого разного рода предсказания, например того, что в металлическом водороде (который до сих пор, кажется, еще не получен, и во всяком случае, сверхпроводимость его экспериментально еще не исследована): были предсказания, достаточно серьезные, что сверхпроводимость там будет при температуре вплоть до 240 К. Но это требует очень высоких давлений, и эксперименты пока еще туда не добрались.

Рекорд высокотемпературной сверхпроводимости был поставлен на совершенно других веществах — на купратах. Это сложные оксиды на основе меди и других металлов, которые были впервые доказаны как сверхпроводники Беднорцем и Мюллером в 1986 году. И один из рекордов физики в том, что Нобелевскую премию они получили уже на следующий год — в 1987-м, и это рекордно короткий интервал.

Такого рода сверхпроводимость не описывается взаимодействием электронов и фононов. Она имеет совершенно другую природу. Вероятно, речь идет о взаимодействии электронов и флуктуаций магнитных моментов на атомах. До сих пор люди не умеют предсказывать температуру сверхпроводимости в такого рода объектах, они гораздо сложнее обычных сверхпроводников. Рекордом в них является температура в 133 К, которая была зафиксирована в сверхпроводнике, открытом нашим выдающимся химиком Евгением Антиповым из МГУ. Под давлением температура сверхпроводимости там растет и достигает величины в 164 К. И это был рекорд, который держался два десятилетия.

Дальше история складывалась совершенно удивительным образом. В 2014 году один из моих учеников, а ныне профессор в Китае Янмин Ма, с помощью предсказания кристаллических структур — это методология, которую внес в нашу область я с моими учениками, — изучал сероводород (H2S) под давлением. Ма показал, что под давлением примерно в 160 гигапаскалей сероводород (H2S) будет сверхпроводником с температурой 80 К. Это не рекорд, но температура достаточно высокая.

Уже через два месяца ученые из той же лаборатории Дефан Дуан и профессор Тьян Цуи публикуют исследование с помощью моего метода USPEX (они являются одними из пользователей моего метода), где они доказывают, что сероводород (H2S) оказывается нестабильным под давлением и распадается с образованием другого вещества — H3S и чистой серы. Соединение H3S не вписывается в традиционные рамки химии, но под давлением оказывается стабильным. Это те самые «запрещенные» химические соединения, о которых я люблю говорить, — запрещенные классическими правилами химии.

У соединения H3S китайские ученые под руководством профессора Цуи предсказали температуру сверхпроводимости в 200 кельвинов, то есть выше рекорда. И эта сверхпроводимость обязана именно электрон-фононному взаимодействию. Таким образом, самыми высокотемпературными сверхпроводниками оказываются именно электрон-фононные, а не экзотические купраты. Если, конечно, это предсказание корректно.

С работы профессора Цуи началась настоящая гонка. Свою статью он подал в журнал в июле 2014 года, опубликована она была в ноябре того же года. А в декабре 2014-го группа профессора Михаила Еремца из Германии (это наш соотечественник) опубликовала онлайн в архиве свою статью, в которой они экспериментально доказывали предсказание, сделанное профессором Цуи: возникает вещество состава H3S под давлением, и оно является сверхпроводником с температурой сверхпроводимости около 200 К. Статья Еремца затем была подана в журнал Nature в июне 2015 года, то есть год спустя, а работа профессора Цуи была опубликована там же в августе 2015 года.

Эта работа произвела шок. На самом деле предсказание китайских ученых о сверхпроводимости в районе 200 К многими было проигнорировано, потому что люди сказали: это теория, мало ли что в ней может быть. Многие ссылались на предел Макмиллана, те самые 28 К: не может быть сверхпроводимость, связанная с взаимодействием электронов и колебаний решетки, такой высокотемпературной. Но когда вышли экспериментальные данные и они полностью подтвердили предсказания китайских ученых, а также была установлена температура сверхпроводимости 203 кельвина при давлении примерно в 160 гигапаскалей, то это стало шоком для научного сообщества.

Многие ученые ринулись изучать сверхпроводимость в этом веществе, в подобных веществах. Многие пытались побить этот рекорд ―, но он пока не побит. Учитывая интенсивность исследований в этой области, не исключено, что более высокотемпературные сверхпроводники или сопоставимые сверхпроводники при менее высоких давлениях будут найдены. У этого вещества, являющегося таким рекордно высокотемпературным сверхпроводником при давлении 160 гигапаскалей, конечно, практических применений не будет. Но открытие этого вещества, конечно, поменяло ментальность ученых и заставило их по-новому взглянуть на давно известный механизм Бардина, Купера и Шриффера — механизм взаимодействия электронов с колебаниями решетки. И вполне возможно, что будут найдены новые высокотемпературные сверхпроводники, рекордно высокотемпературные, именно обладающие этим механизмом, который удобен для расчетов, удобен для теоретиков. И может быть, мы будет свидетелями больших прорывов в этой области.

Могу также упомянуть, что другой группой в Китае было обнаружено, что, если допировать это вещество небольшим количеством фосфора (примерно 7,5% атомов серы нужно заменить атомами фосфора), то согласно их теоретическому предсказанию, сверхпроводимость такого вещества будет уже при 280 К, а это уже +7 по Цельсию. Это уже практически комнатная температура.

Подтвердит ли практика это предсказание или нет ― увидим. Но то, что было сделано величайшее открытие в совершенно неожиданном веществе, которое не вписывается в традиционные правила химии и является классическим «запрещенным» веществом, мне кажется, заслуживает исключительного внимания и уважения. А лично для меня это повод для гордости, потому что сверхпроводимость этого вещества была предсказана с помощью моего метода. Хотя и не мной, а совершенно другими людьми, но я очень горд за их работу. И очень горд, что экспериментальное подтверждение этого предсказания было получено нашим соотечественником Михаилом Еремцом, с которым я давно знаком и сотрудничаю, и его коллегами.