Химики нашли высокотемпературную сверхпроводимость у гидридов урана

Химики с помощью компьютерного моделирования и экспериментов обнаружили, что уран способен образовывать кристаллические полигидриды, которые обладают высокотемпературной сверхпроводимостью при умеренных давлениях. Самая высокая температура перехода в сверхпроводящее состояние оказалась у гептагидрида урана UH7, которая в термодинамически устойчивом состоянии составила −219 градусов Цельсия, говорится в статье, опубликованной в Science Advances.

Известные сейчас материалы, сверхпроводящие при рекордно высоких температурах, — гидриды различных элементов с большим количеством атомов водорода. Официальный рекорд (−70 градусов Цельсия) принадлежит сероводороду состава H3S, наличие сверхпроводимости у которого сначала было предсказано теоретически, а потом было доказано и в экспериментах по уменьшению сопротивления и при измерении эффекта Мёссбауэра. Совсем недавно две группы исследователей обнаружили, что при еще более высокой температуре сверхпроводником может быть гидрид лантана состава LaH10. По словам ученых, сверхпроводящими свойствами он обладает вплоть до −13 градусов Цельсия.

Основная проблема этих соединений состоит в том, что необходимые кристаллические фазы могут быть получены только очень высоких давлениях. Так, для получения сверхпроводящей фазы гидрида серы необходимо давление в 155 гигапаскалей (то есть примерно в полтора миллиона атмосфер), а гидрид лантана LaH10 образуется при еще более высоких давлениях — от 1,7 до 2 миллионов атмосфер. Поэтому ученые продолжают искать похожие соединения, которые тоже обладают сверхпроводящими свойствами при достаточно высоких температурах, но требуют при этом более низких давлений.

Группа ученых из России, Китая, США и Германии под руководством Ивана Круглова (Ivan Kruglov) и Артема Оганова (Artem Oganov) из ВНИИ автоматики имени Духова, МФТИ и Сколтеха проверила на сверхпроводящие свойства семейство гидридов еще одного элемента — урана.

Единственное устойчивое соединение, которое уран образует с водородом при атмосферном давлении, — это тригидрид состава UH3. Также было известно, что при комнатной температуре возможно образование отдельных молекул гидридов урана и другого состава, а вот систематического изучения кристаллических структур, которые уран может образовывать с водородом при других давлениях, ранее не проводилось.

Чтобы подробно исследовать, какие соединения уран с водородом образуют при различных давлениях (от атмосферного до 5 миллионов атмосфер), ученые сначала провели компьютерное моделирование с помощью алгоритма прогнозирования кристаллической структуры USPEX, основанной на сочетании метода теории функционала плотности в рамках обобщенного градиентного приближения (generalized gradient approximation) и метода проекционных соединительных волн. Оказалось, что в зависимости от условий в системе урана и водорода возможно образование 13 различных гидридов. При этом у пяти из них: UH7 , UH8, UH9, U2H13 и U2H17 — были обнаружены сверхпроводящие свойства. Атомы урана в этих соединениях располагаются по узлам гранецентрированной кубической или гексагональной плотноупакованной решеток, а водород формирует кубические кластеры H8, которые находятся между атомами урана.

Оказалось, что самой высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние обладает гептагидрид урана UH7. Этот гидрид термодинамически устойчив при давлении в 220 тысяч атмосфер, и сверхпроводящие свойства появляются у него при температуре −219 градусов Цельсия. Однако при последующем уменьшении давления эта фаза остается метастабильной, а температура перехода поднимается до −206 градусов Цельсия.

Затем данные, полученные с помощью численного моделирования, ученые подтвердили и в эксперименте, синтезировав как несверхпроводящий гидрид UH5 при давлении в 50 тысяч атмосфер, так и высокотемпературные сверхпроводники UH7 — при 310 тысячах атмосфер и UH8+δ — при 450 тысячах атмосфер. Кристаллографические данные полностью подтвердили теоретические оценки.

По словам авторов работы, полученные результаты говорят о перспективности исследования гидридов урана и других актиноидов в качестве потенциальных высокотемпературных сверхпроводников. По температуре перехода в сверхпроводящее состояние полученные соединения пока уступают как гидридам других элементов, так и, например, купратным соединениям, однако условия, при которых они могут быть получены и остаются устойчивыми, делают полигидриды урана (так же, как гидриды актиния и тория) крайне перспективными. Одним из возможных способов повысить температуру перехода авторы работы называют легирование соединений другими элементами.

Группа Артема Оганова работает над алгоритмом USPEX с 2004 года. С помощью него были предсказаны и объяснены неизвестные соединения натрия и хлора, предсказаны новые формы оксида алюминия и сверхтвердого пентаборида вольфрама. С помощью этой системы удавалось предсказывать и объяснять свойства сверхпроводников, например в слоистых системах типа AFe2As2.