Новый материал обещает прорыв в области сверхпроводников

Ученые много лет искали различные способы заставить водород войти в металлическое состояние. Металлическое состояние водорода — это святой Грааль в материаловедении, поскольку его можно использовать для сверхпроводников: материалов, которые не препятствуют току электронов, что повышает эффективность передачи электроэнергии во много раз. Впервые за все время ученые под руководством Виктора Стружкина из Университета Карнеги, смешав водород с натрием, экспериментально произвели новый класс материалов, которые обещают изменить картину в области сверхпроводников и могут быть использованы для хранения водородного топлива. Исследование было опубликовано в Nature Communications.

Считалось, что определенные обогащенные водородом соединения, состоящие из нескольких атомов водорода и щелочных металлов (лития, калия или натрия), могут обеспечить новое химическое средство для изменения электронной структуры соединения. Это, в свою очередь, может привести к разработке металлических высокотемпературных сверхпроводников.

«Проблема в температуре, — объясняет Стружкин. — Имеющиеся сверхпроводники могут существовать только при непрактично низких температурах. В последние годы начали обещать соединения с несколькими атомами водорода, связанными с щелочными металлами, которые могут существовать при более практичных температурах. Теоретически они будут обладать уникальными свойствами, полезными для сверхпроводимости».

Теперь прогнозы подтвердились.

Группа Стружкина использовала эту теорию для составления экспериментов и измерила образцы с использованием одновременно метода, который показывает атомную структуру (рентгеноструктурный анализ), и метода рамановской спектроскопии. Теоретически, натриево-водородный материал должен быть стабильным под давлением, обладать металлическими свойствами и уникальной структурой, а также демонстрировать сверхпроводящие свойства.

Ученые провели эксперименты с применением высокого давления и высокой температуры. Материя при таких экстремальных условиях может превращаться в новые структуры с новыми свойствами. При помощи высокого давления они сжали образцы лития и натрия в ячейке с алмазными наковальнями и нагрели их лазером. При давлении в 300 000—400 000 атмосфер (30—40 ГПа) и температуре около 1700 градусов по Цельсию, ученые впервые наблюдали структуры «полигидридов», натрия с тремя атомами водорода (NaH₃) и NaH₇ — натрия с семью атомами водорода — в крайне необычных конфигурациях. Три отрицательно заряженных атома водорода в NaH₇ выстроились и продемонстрировали одномерную водородную цепь, новую фазу, которая сильно отличается от чистого водорода.

«Существование этой конфигурации предсказывали еще в 1972 году, более 40 лет назад, — говорит Дак Йонг Ким, ученый из группы Стружкина. — Оказалось, что наши эксперименты полностью согласуются с теорией, которая предсказывала существование NaH₃. В качестве приятного дополнения мы также наблюдали соединение с семью атомами водорода».

Далее ученые планируют посмотреть, можно ли получить материалы такого класса при более низких температурах и давлениях. В любом случае новый класс материи открывает новый мир возможностей.