НАТРИЙ И ВОДОРОД: СВЕРХПРОВОДНИК НА БУМАГЕ

Сверхпроводник проводит электрический ток совсем без сопротивления — ниже критической температуры Tc. У богатых водородом материалов рекорды впечатляют: H₃S и LaH₁₀ сверхпроводят выше 200 кельвинов. Но только под давлением около мегабара, то есть примерно в миллион раз выше атмосферного. Задача — добиться того же при меньшем давлении.

Водород помогает, потому что он лёгкий: его атомы колеблются с очень высокими частотами, и эти колебания могут связывать электроны в пары, переносящие сверхток. Во многих лучших гидридах водород уже не образует молекул H₂. Соединения, где водород остаётся парами, долго считались плохими кандидатами: прочная связь внутри каждой пары выводит её электроны из игры.

Соединение, найденное поиском

Тяньжань Чэнь из Университета Теннесси и Танер Йылдырым из Центра нейтронных исследований NIST уже отмечали гексагидрид натрия, NaH6, в компьютерном поиске среди более чем 100 000 богатых водородом структур. Независимая работа тоже предсказывала для него высокую Tc. Здесь авторы изучили его подробно — исключительно расчётами:

эволюционный алгоритм для поиска наиболее выгодных кристаллических структур при каждом давлении;
квантово-механические расчёты электронов, колебаний атомов и их взаимодействия, дающие Tc по стандартной формуле;
молекулярная динамика при 300 кельвинах, чтобы проверить, не разваливаются ли структуры, когда атомы колеблются.

Ни один образец не был синтезирован или измерен.

Два кристалла — два поведения

Расчёты показывают густонаселённый ландшафт: при 50 гигапаскалях стабильны 15 разных структур, большинство из которых — близкие родственники двух основных форм. В обеих водород находится в слегка растянутых парах.

Кубическая форма, по прогнозу, сверхпроводит до 230 кельвинов при 50 гигапаскалях — около −43 °C при половине мегабара — и всё ещё до 215 кельвинов при 200 гигапаскалях.
Ромбоэдрическая форма остаётся стабильной вплоть до 10 гигапаскалей, где её прогнозируемая Tc — 34 кельвина. При сжатии Tc быстро растёт: 99 кельвинов при 50 гигапаскалях, 157 при 90 — примерно 1,6 кельвина на гигапаскаль.

Есть оговорка, которую авторы прямо формулируют. При 50 гигапаскалях кубическая 230-кельвиновая форма не самая стабильная: её энергия чуть выше порога распада на более простой гидрид натрия и водород. Устойчивой к такому распаду она становится только выше 60 гигапаскалей, а две формы меняются местами около 114 гигапаскалей. В молекулярной динамике при 300 кельвинах кубическая форма остаётся целой — на протяжении нескольких триллионных долей секунды.

Парный водород, который помогает

Самая необычная находка — механизм. Пары не блокируют сверхпроводимость. Каждое колебание, сильно связанное с электронами, проявилось бы в рамановской спектроскопии — распространённом лабораторном методе; остальные почти не взаимодействуют. Проверив 102 других гидрида при 200 гигапаскалях, авторы нашли ту же закономерность: рамановски активные колебания связаны с электронами в среднем примерно в 40 раз сильнее остальных.

В ромбоэдрической форме давление наклоняет водородные пары — от 4 градусов при 10 гигапаскалях до 21 градуса при 90. По мере наклона ключевые колебания взаимодействуют сильнее — синхронно с ростом Tc, при том что электронная структура почти не меняется. Простая геометрическая модель описывает эту тенденцию, хотя авторы подчёркивают, что это интерпретация, а не доказательство.

С экрана — в лабораторию

Это предсказания. Расчётные температуры зависят от стандартного, но подстраиваемого параметра, а 50 гигапаскалей — это всё ещё около полумиллиона атмосфер. Если NaH6 подтвердится, он покажет, что ориентация водородных пар — новый регулятор для конструирования гидридных сверхпроводников. Следующее слово — за экспериментаторами.