科学家发现磁性杂质如何影响最著名的氢化物超导体

Skoltech、俄罗斯科学院 P. N. Lebedev 物理研究所的专家及其来自美国、德国和日本的同事在存在磁性和非磁性杂质的情况下对超氢化镧进行了一系列实验。该研究为进一步研究室温下和接近于零电阻并在多个领域具有应用前景的超导材料奠定了基础——从超导电子学、量子计算机和磁垫列车到MRI机器、粒子加速器和，可能是核反应堆和输电线。

这篇文章发表在《先进材料》杂志上。在接近室温的温度下运行的超导体是技术应用中最受欢迎的材料之一。如果发现这种联系，它们将有可能创造出例如超强电磁铁，这将在基础和应用科学研究中得到应用。

这种超导体的其他可能应用是医疗技术（更先进的 MRI 扫描仪）、磁悬浮列车、微型电动机和发电机、长寿命电池供电的小工具，最后是长距离输电线路，几乎没有损失。

理论上，最好的高温超导体应该是纯氢，受其强烈压缩成金属状态，这本身就是一项极其艰巨的任务。因此，作为替代方案，认为除了大量的氢之外还含有其他元素的化合物。在这种情况下，必须牺牲温度的升高，以将压力降低到技术上可实现的水平，从而确保超导体的稳定性。

“目前，高温超导体中的记录保持者是超氢化镧，其临界温度为-23摄氏度，”该研究负责人、Skoltech 教授 Artem Oganov 说。“这是一个非常高的结果，但为了将温度提高到更高，有必要了解这种材料的超导机制。现在这个机制对我们来说很清楚了。

有许多理论机制可以提供零电阻（超导性）。其中研究最多的是电子与晶格振动之间的相互作用，晶格称为声子。使用普遍接受的电子-声子超导理论将有可能获得基于氢化合物的更完美的超导体，其中包含两种精心挑选的元素。

“整个问题是，直到现在还不清楚哪种三元组合物可以改善多氢化物的超导性能。结果，足够高的不确定性持续存在，阻碍了在接近室温的温度下寻找超导性的进展。我们设法消除了这种不确定性，并为进一步研究开辟了道路，”奥加诺夫教授补充道。

他的团队使用安德森著名的定理建立了超氢化镧的超导行为。根据该定理，对于普通的（电子-声子）超导体，仅对它们而言，当引入非磁性杂质时，超导特性不会发生变化，而当引入磁性杂质时，超导的临界温度会急剧下降。

超氢化镧结构中磁性杂质 (Nd) 对库珀对的散射

“在之前的一篇论文中，我们表明使用非磁性钇作为杂质不会影响 LaH 10的临界超导温度。然后我们决定在这种超氢化物中添加磁性钕。事实证明，随着钕原子数量的增加，当钕含量达到约 15-20 个原子百分比时，超导性被显着抑制并完全消失，”该研究的第一作者、Skoltech 博士生 Dmitry Semenok 说。

据科学家称，杂质如何影响氢化物的超导性现在已经很清楚了，这将使我们能够更准确地指导寻找新的超导体。科学家们计划利用这项工作中获得的发现来预测、合成和测试新的三元多氢化物，以获得具有更高临界温度和/或降低合成压力的物质。

异常氢化物的研究在理解超导机理方面取得了重大进展。该研究积极使用 Oganov 教授开发的 USPEX 计算机程序来预测在高压下存在的许多异常化合物。

这项研究是在 Skoltech、A.V. Shubnikov 晶体学研究所 RAS、P.N. Lebedev 物理研究所 RAS、A.V. Helmholtz Dresden-Rossendorf、佛罗里达州立大学、大阪大学和以 N. L. Dukhov 命名的全俄自动化研究所。