Введение

Материал, проявляющий сверхпроводимость выше 0 °C. Сверхпроводник комнатной температуры – это гипотетический материал, способный демонстрировать сверхпроводимость при температурах выше, обычно встречающихся в повседневных условиях. По состоянию на 2023 год материалом с самой высокой подтвержденной сверхпроводящей температурой являлся высоконагруженный декагидрид лантана, температура перехода которого составляет приблизительно при 200 ГПа. Со временем исследователи неоднократно обнаруживали сверхпроводимость при температурах, ранее считавшихся неожиданными или невозможными, опровергая представление о нереализуемости сверхпроводимости при комнатной температуре. Концепция "кратковременных эффектов, близких к комнатной температуре" обсуждается с начала 1950-х годов.

Значение

Открытие сверхпроводника комнатной температуры имело бы огромное технологическое значение. Оно способно решить глобальные энергетические проблемы, значительно увеличить скорость вычислений, позволить разработку инновационных устройств хранения данных и создание высокочувствительных сенсоров, наряду с множеством других возможностей.

Доклады

С момента открытия высокотемпературных сверхпроводников (под "высокой" понимаются температуры выше температуры кипения жидкого азота), ряд материалов заявлялись, хотя и не были подтверждены, как сверхпроводники комнатной температуры.

Подтвержденные исследования

В 2014 году в статье, опубликованной в журнале Nature, было предложено, что некоторые материалы, в частности YBCO (иттрий-барий-медь-оксид), можно было бы заставить кратковременно проявлять сверхпроводимость при комнатной температуре, используя инфракрасные лазерные импульсы. В 2015 году в статье, опубликованной в Nature исследователями Института Отто Хана, было показано, что при определенных условиях, таких как экстремальное давление, вещество переходит в сверхпроводящее состояние при 150 ГПа (около 1,5 миллиона раз превышающее атмосферное давление) в ячейке с алмазными наковальнями. Критическая температура составила бы самую высокую зарегистрированную величину Tc, и их исследования указывают на то, что другие соединения водорода могут быть сверхпроводящими при температуре до . Также в 2018 году исследователи отметили возможную сверхпроводящую фазу в декагидриде лантана при повышенном давлении (200 ГПа). В 2019 году материалом с самой высокой подтвержденной сверхпроводящей температурой являлся высокопрессованный декагидрид лантана, температура перехода которого составляет приблизительно .

Не подтвержденные исследования

В 1993 и 1997 годах Мишель Лагуэ и его команда опубликовали доказательства сверхпроводимости при комнатной температуре, наблюдаемой в ультратонких наноструктурах BiSrCaCuO, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МБЭ). Эти соединения демонстрируют чрезвычайно низкое сопротивление, на порядки меньшее, чем у меди, сильно нелинейные вольт-амперные характеристики (ВAХ) и гистерезисное поведение ВAХ. В 2000 году, во время извлечения электронов из алмаза в ходе работ по ионной имплантации, Йохан Принс заявил о наблюдении явления, которое он объяснил как сверхпроводимость при комнатной температуре в фазе, образованной на поверхности кислород-допированных алмазов типа IIa в вакууме 10−6 мбар. В 2003 году группа исследователей опубликовала результаты, касающиеся высокотемпературной сверхпроводимости в гидриде палладия (PdHx: x > 1), а в 2004 году – объяснение этих результатов. В 2007 году та же группа опубликовала данные, указывающие на температуру сверхпроводящего перехода 260 К, причем температура перехода возрастала с увеличением плотности водорода в решетке палладия. Эти результаты не были подтверждены другими группами. В марте 2021 года было объявлено об обнаружении сверхпроводности в слоистом материале на основе иттрия, палладия и гидрида при 262 К и давлении 187 ГПа. Палладий может выступать в качестве катализатора миграции водорода в этом материале. 23 июля 2023 года корейская команда заявила, что апатит свинца, легированный медью, получивший название LK 99, проявляет сверхпроводимость при температуре до 370 К, хотя они не наблюдали этого явления в полной мере. Они опубликовали две препринтные статьи на arXiv, статью в журнале и подали заявку на патент. Сообщенные наблюдения были встречены экспертами со скептицизмом из-за отсутствия четких признаков сверхпроводности. Эта история широко обсуждалась в социальных сетях, что привело к многочисленным попыткам воспроизведения результатов, ни одна из которых не увенчалась полным успехом. К середине августа ряд статей из ведущих лабораторий предоставили существенные доказательства того, что LK 99 не является сверхпроводником, обнаружив сопротивление, значительно превышающее сопротивление меди, и объяснив наблюдаемые эффекты, такие как магнитный отклик и падение сопротивления, наличием примесей и ферромагнетизмом в материале. 31 декабря 2023 года в журнале "Advanced Quantum Technologies" была опубликована статья под названием "Глобальная сверхпроводимость при комнатной температуре в графите", в которой утверждалось, что сверхпроводимость при комнатной температуре и атмосферном давлении была продемонстрирована в высокоориентированном пиролитическом графите с плотными массивами почти параллельных линейных дефектов.

Снятые или ненадежные исследования

В 2012 году в статье, опубликованной в журнале Advanced Materials, было заявлено об обнаружении сверхпроводящего поведения графитового порошка после обработки чистой водой при температурах до 300 К и выше. На данный момент авторам не удалось продемонстрировать четкую фазу Мейснера и исчезновение сопротивления материала. В 2018 году Дев Кумар Тапа и Аншу Пандей из подразделения химии твердого тела и структуры Индийского института науки в Бангалоре сообщили о наблюдении сверхпроводимости при атмосферном давлении и комнатной температуре в пленках и прессованных таблетках наноструктурированного материала, состоящего из частиц серебра, внедренных в золотую матрицу. Результаты были поставлены под сомнение из-за схожих шумовых паттернов в, предположительно, независимых графиках и отсутствия рецензирования публикации. Хотя исследователи повторили свои результаты в более поздней статье в 2019 году, это утверждение до сих пор не было проверено и подтверждено. С 2016 года группа под руководством Ранги П. Диаса опубликовала ряд отозванных или оспоренных статей в этой области. В 2016 году они заявили об обнаружении твердого металлического водорода. В октябре 2020 года они сообщили о сверхпроводности при комнатной температуре – 288 К (15 °C) – в углеродистом сульфиде водорода при давлении 267 ГПа, кристаллизация которого была инициирована зеленым лазером. Эта публикация была отозвана в 2022 году после выявления недостатков в их статистических методах, что вызвало сомнения в достоверности других данных. В 2023 году он сообщил о сверхпроводимости при 294 К и 1 ГПа в гидриде лютеция, легированном азотом, статья о которой вызвала широкий скептицизм в отношении используемых методов и данных. Позднее в 2023 году было установлено, что он сплагиатил часть своей диссертации из чужой работы, а также сфабриковал данные в статье о дисульфиде марганца, которая была отозвана. В настоящее время рассматривается вопрос об отзыве статьи о гидриде лютеция. Первые попытки воспроизвести эти результаты оказались неудачными.

Металлический водород и фонон-посредничество

Теоретическая работа британского физика Нила Эшкрофта предсказала, что твердый металлический водород при экстремально высоком давлении (~500 ГПа) должен стать сверхпроводящим при температуре, близкой к комнатной, благодаря его чрезвычайно высокой скорости звука и ожидаемому сильному взаимодействию между электронами проводимости и фононами решетки. Команда из Гарвардского университета заявила о создании металлического водорода и сообщает о давлении 495 ГПа. Хотя точная критическая температура пока не установлена, в предварительных измерениях с помощью магнитометра на оригинальном, к сожалению, утерянном образце могли быть зафиксированы слабые признаки возможного эффекта Мейснера и изменения магнитной восприимчивости при 250 К. Французская группа работает с образцами в форме тора, а не плоскими на гранях алмазного наконечника.

Органические полимеры и экситонно-посреднические пары

В 1964 году Уильям А. Литтл предположил возможность высокотемпературной сверхпроводимости в органических полимерах.

Другие гидриды

В 2004 году Эшкрофт вернулся к своей идее и предположил, что соединения, богатые водородом, могут становиться металлическими и сверхпроводящими при более низком давлении, чем сам водород. В частности, он предложил новый способ предварительного химического сжатия водорода путем изучения гидридов группы IVa. В 2014–2015 годах обычная сверхпроводность была обнаружена в системе гидридов серы (H2S или H3S) при температуре от 190 K до 203 K и давлении до 200 GPa. В 2016 году исследования показали связь между гидридом палладия, содержащим небольшие примеси наночастиц серы, и аномальными переходными падениями сопротивления, наблюдавшимися в некоторых экспериментах. Также было предположено, что поглощение водорода купратами может объяснить переходные падения сопротивления или "USO", замеченные в 1990-х годах Чу и др. во время исследований после открытия YBCO. Согласно прогнозам, (скандий додекагидрид) будет проявлять сверхпроводимость при комнатной температуре – критическая температура (Tc) от до – при давлении, не превышающем 100 ГПа. В настоящее время некоторые исследовательские усилия направлены на тройные супергидриды, и было предсказано, что (билитий магний гексадекагидрид) будет иметь критическую температуру (Tc) при 250 GPa.

Спиральная сцепка

Также возможно, что если биполаронное объяснение верно, то обычно полупроводниковый материал может при определенных условиях перейти в сверхпроводящее состояние, если критический уровень чередующегося спинового взаимодействия в одной плоскости кристаллической решетки будет превышен; это, возможно, было зафиксировано в очень ранних экспериментах 1986 года. Наиболее подходящей аналогией здесь является анизотропная магниторезистивность, но в данном случае результатом является обнуление сопротивления, а не его уменьшение в очень узком температурном диапазоне для исследованных соединений, подобно так называемой "возвращающейся сверхпроводимости". В 2018 году были получены данные, подтверждающие существование электронов с аномальными спиновыми состояниями 3/2 в YPtBi. Несмотря на то, что YPtBi является сверхпроводником с относительно низкой температурой, это указывает на альтернативный путь создания сверхпроводников.