高圧での超伝導材料の研究のための設備
アメリカの物理学者は、室温で炭素含有硫化水素の超伝導を発見しました。硫化水素H3SとメタンCH4をベースにした固体材料の超伝導は、摂氏15度まで維持されますが、その影響は140万気圧を超える圧力で観察されます。超伝導体は、267万気圧の圧力で最大臨界温度を持つ固体包接相である、と科学者たちはNatureに書いています。
伝統的に、超伝導（抵抗ゼロで電流を伝導する能力）は、非常に低い温度でのみ観察できる材料特性と見なされてきました。第一世代の超伝導体は、絶対零度よりわずか30度高い温度で超伝導を失いました（これは摂氏-240度以下です）。 20世紀の80年代に、最初の「高温超伝導体」が発見されました。これは、混合酸化銅をベースにしたセラミック材料です。それらはすでにはるかに高い温度で超伝導を失いますが、それでも室温よりも著しく低くなります。たとえば、20年間、転移温度が-109℃のHgBa2Ca2Cu3O8 + x組成の銅酸化物が高温の記録保持者でした。超伝導。
根本的に新しいタイプの高温超伝導体が2010年代半ばに発見されました。非常に高い圧力（100万気圧以上）では、多くの元素の水素化物が非常に高温まで超伝導状態のままであることが判明しました。したがって、数年間、最高臨界温度の材料は組成H3Sの硫化水素でしたが、最後の瞬間まで、確認された遷移記録（摂氏-23度のみ）は水素化ランタンLaH10に属していました。超電導の痕跡も-13度で発見されました。
ロチェスター大学のRangaP。Diasの指導の下にあるアメリカの物理学者は、その特性を室温まで保持する高温超伝導体を初めて合成しました。得られた材料は、硫化水素とメタンをベースに、水素含有量が増加した結晶です。研究の著者は、267万気圧の圧力でそれの最大臨界温度を記録しました-それは287.7ケルビン（これは摂氏約15度です）でした。科学者たちは、超伝導炭素含有硫化水素を取得して分析するために、ダイヤモンドアンビルセルを使用しました。これは、2つのダイヤモンドの端の間に固定され、最大数百万気圧の圧力で固体材料を観察できるサンプルチャンバーです。
ダイヤモンドアンビルを備えたセル内の超伝導材料の合成と分析のスキーム
メタンと硫化水素の両方が高圧で水素と安定した化合物を形成できることが知られており、水素化物はマトリックスとして機能し、水素分子はその内部の介在物として機能します。 Migdal-Eliashberg理論によれば、このような材料は、クーパー対の形成につながる強力な電子-フォノン結合により、高圧での超伝導体の有望な候補と見なされます。メタン自体は、圧縮されると、500万気圧を超える圧力で超伝導状態に達することなく崩壊しますが、この問題は3成分系CH4-H2S-H2で解決されました。その結果、科学者は二元硫化水素よりも臨界温度が高い安定した化合物を得ることができました。
H2S-H2介在物の超伝導相の結晶構造。三元系では、この構造の硫化水素分子の一部がメタン分子に置き換わっています。
必要な超電導材料は、水素、硫化水素、メタンの混合物から光化学反応で合成されました。ファンデルワールス相互作用により、比較的低い圧力でも、そのような混合物中のメタンと硫化水素の分子は鎖を形成し、さらに圧縮するとホスト-ゲスト構造を形成します。数百万気圧の圧力では、メタンと硫化水素のブロック（実質的に同じサイズであるため）が単一のマトリックスを形成し、それらは同等の位置を占め、水素分子は実際にはこのマトリックスの細孔に配置されます。
左：さまざまな圧力でのS-C-Hサンプルの抵抗対温度。中央：超伝導体サンプルの顕微鏡写真。右：超伝導の臨界温度の圧力依存性
科学者たちは、X線分析とラマン分光法を使用して得られた化合物の相組成と構造を研究し、超伝導の重要なパラメーターを分析するために、結果として生じる物質の電気抵抗と磁化率が温度に応じて異なる圧力でどのように変化するかを測定しました。材料中のメタン、硫化水素、水素の最適な比率は、厳密に化学量論的1：1：1であることが判明しました。
最高の転移温度である287.7ケルビン（これは約15℃）は、267万気圧の圧力での相の特徴であることが判明しましたが、このような化合物の超伝導状態は、かなり広い範囲の圧力のままです。 140万から280万気圧。外部磁場の増加に伴い、超伝導の臨界温度は低下し、9テスラの磁場で-5℃に低下します。さらに、理論モデルによれば、この材料の超伝導は62テスラまで維持されるべきです。
研究の著者によると、三元水素化物の組成を正しく選択することにより、臨界温度をさらに上昇させることが可能です。しかし、今日の主な課題は、これらの材料を合成して使用するために必要な圧力を減らすことです。
別の三元水素化物については、さらに高い臨界超伝導温度が理論的に予測されています。シミュレーションデータによると、超伝導は摂氏200度までLi2MgH16化合物で維持されるべきです。この状態は約250万気圧の圧力で予想されます。
