В середине мая прошлого года мы поняли, что что-то нашли.
Мы измеряли электрические свойства гранулы, зажатой в тисках между двумя алмазами. Эти «тиски» могли создать давление в два миллиона атмосфер, что всего в два раза меньше давления в центре Земли. Теоретики подсчитали, что при таком высоком давлении и температуре от 123 до минус 73 градусов Цельсия металлический водород теряет все свое электрическое сопротивление. Он превращается в идеальный проводник, и ток по нему может течь по сути дела вечно.
Это может быть очень важно. Сверхпроводимость при комнатной температуре может обеспечить передачу электричества без потерь, движение скоростных поездов, помочь в левитации и в создании новых компьютеров. Здесь нет предела возможностям. Однако сверхпроводимость при комнатной температуре была и остается недостижимой. Когда мы проводим эксперименты, при нормальном давлении начинает работать только материал при температуре минус 130 градусов Цельсия.
Итак, вдохновленные прогнозами теоретиков, мы решили найти такой химический состав, в котором есть большое количество водорода. Мы попробовали кремневодород (в нем четыре атома водорода связаны с одним атомом кремния). Но у него сверхпроводимость появлялась лишь при крайне низкой температуре минус 256 градусов Цельсия. Это не впечатляет.
Со временем мы обратились к сероводороду, который состоит из атомов водорода, втиснутых в решетку атомов серы. Теоретики предсказали, что сероводород станет сверхпроводником при минус 193 градусах Цельсия. Тоже не впечатляет. Кроме того, он токсичен и настолько плохо пахнет, что его добавляют в природный газ, чтобы предупреждать людей о его утечках.
Но сероводорода в природе полно. Поэтому мы сделали из него крошечную гранулу толщиной с человеческий волос. 17 мая мы ясно увидели переход к сверхпроводимости, или нулевому сопротивлению при температуре −223 градуса Цельсия. Реальная температура оказалась ниже спрогнозированной, и гораздо ниже, чем у лучших сверхпроводников.
Но эти результаты придали нам сил, и мы решили продолжить эксперименты. Через три месяца напряженной работы мы начали изучать свойства нашей сверхпроводящей системы при минус 220 градусах Цельсия, немного меняя давление и температуру.
И тут нам повезло.
В истории сверхпроводимости полно промахов, удачных моментов и неожиданных открытий. Камерлинг-Оннес (Kamerlingh Onnes), получивший Нобелевскую премию за то, что первым наблюдал сверхпроводимость, на самом деле не наблюдал ее. Он решил доказать, что сопротивление металлов по мере охлаждения снижается и постепенно приближается к нулю, сходя на нет при абсолютном нуле. Но вместо этого он увидел, что сопротивление твердой ртути при температуре на четыре градуса выше абсолютного нуля внезапно становится нулевым. Более того, Оннес стал первым, кто наблюдал, как гелий превращается в сверхтекучую жидкость и может течь безо всякого сопротивления. Но он совершенно упустил из виду свойства сверхтекучести, потому что искал другое. Позднее в 1937 году их открыл Петр Капица, за что получил Нобелевскую премию. Получается, что в эксперименте Камерлинга-Оннеса было два результата, достойных премии Нобеля!
Открытие сверхпроводимости в купратах (соединения на основе оксида меди) также было совершенно неожиданным. Научное сообщество на протяжении многих лет в основном пыталось повысить температуру перехода к сверхпроводимости у металлических сплавов. Никто даже представить себе не мог, что люди откроют сверхпроводимость в купратах — ну, до тех пор, пока эти люди не побили рекорд температуры сверхпроводимости, достигнув перехода при минус 135 градусах Цельсия.
Нам тоже повезло, причем неоднократно. 22 августа механизм нагнетания нагрузки на один из наших алмазов не дал нам поднять давление при низкой температуре. Поэтому мы начали нагревать образец. Наблюдая за входящими данными, мы увидели нечто совершенно неожиданное. Сопротивление образца по мере нагревания падало! Температура, при которой он приобрел свойства сверхпроводимости, оказалась намного выше, чем мы думали прежде. Мы с удивлением увидели, что переход к сверхпроводимости наступает при минус 120 градусах.
Этот результат заставил нас вновь взглянуть на данные прежних экспериментов. Сделав это, мы обнаружили очень слабые признаки перехода к сверхпроводимости при минус 100 градусах. Это был мировой рекорд. Прежние измерения осуществлялись далеко не в идеальных условиях. Мы использовали три электрических контакта вместо четырех, хотя нужны именно четыре, чтобы данные были достоверными. Но даже эти первые, весьма приблизительные данные указывали на то, что с нашим образцом происходит нечто совершенно новое.
Позже мы выяснили, что гранула сероводорода (H2S) неожиданно превратилась в сульфоний (H3S). В теоретических расчетах эта реакция была упущена из виду, и мы ее не ожидали. Но такая реакция распада крайне важна. Атом водорода в сульфонии сжимается окружающими его атомами серы. Это называется химическим сжатием, в процессе которого создаваемое нами давление увеличивается. В то же время, сульфоний можно по сути считать обычным металлическим атомным водородом, чтобы сравнить его с теоретическими прогнозами по этому материалу. Свойства сверхпроводимости примерно на 92 процента определяются одними только атомами водорода из решетки, и лишь на восемь процентов — атомами серы, которые удерживают атомы водорода на месте.
Продолжая анализировать свои эксперименты, мы увидели все более высокие температуры. Самая высокая температура перехода к сверхпроводимости на сегодня отмечена при минус 110 градусах Цельсия у купрата под давлением. Пользуясь своим методом, мы сумели достичь переходного состоянии при минус 70 градусах.
Конечно, это все равно очень низкая температура. Но надо иметь в виду, что все исследования начинались с минус 269 градусов Цельсия. 70 градусов — это кардинально выше. На самом деле, такая температура наблюдается в некоторых местах на нашей планете, скажем зимой в российском городе Якутске. Там как-то раз было зафиксировано — 64 градуса. Для некоторых людей это уже сверхпроводимость при комнатной температуре — точнее, сверхпроводимость при уличной температуре. Если повезет, то мы со временем переедем в какой-нибудь город южнее.
Михаил Еремец и Александр Дроздов — физики из Института химии общества Макса Планка в Германии.
