Forskare har skapat nya supraledande föreningar av väte och praseodym, en sällsynt jordartsmetall, en substans är ganska överraskande ur klassisk kemins perspektiv. Studien hjälpte till att hitta de optimala metaller för superledare vid rumstemperatur. Resultaten publicerades i Vetenskapliga framsteg .

En teori som har utvecklats under de senaste 15 åren förutsätter att väteföreningar (hydrider) kan göra utmärkta supraledare - det vill säga ämnen som har noll elektrisk resistans när de kyls ner till en viss temperatur och kan bära el utan förluster, vilket är särskilt värdefullt för kraftnät. Dock, den stickpunkt som forskare fortfarande strävar efter att räkna ut är temperaturen vid vilken ett ämne uppnår supraledning. För de flesta föreningar är det mycket lågt, så superledare som används i verkliga livet kyls vanligtvis med flytande helium med hjälp av komplex och kostsam utrustning. Fysiker är upptagna med att leta efter ett ämne som uppnår supraledning vid rumstemperatur. En av de troliga kandidaterna är metalliskt väte, men trycket som krävs för att producera det överstiger 4 miljoner atmosfärer!

En grupp ryska forskare från Skoltech och kinesiska forskare från Jilin University publicerade en uppsats med sina forskningsresultat med de första författarna Dmitry Semenok och Di Zhou. Deras team skapade föreningar av väte och praseodym, en metall från lantanidserien, och studerade deras fysiska egenskaper. Författarna syntetiserade flera föreningar med olika förhållanden av atomer för varje element. Att göra detta, de placerade praseodym- och väteprover i en speciell kammare där de pressades mellan två konformade diamanter så att trycket ökade till 40 GPa, och laseruppvärmdes.

Elementen komprimerades och reagerades för att bilda föreningen PrH3. Nackdelen är att diamanter tenderar att bli för sköra och bryta sönder när de kommer i kontakt med väte. Forskarna ersatte sedan rent väte med ammoniumboran, en förening som innehåller en stor mängd väte frigörs lätt vid upphettning och reaktion med praseodym. Forskarna fann att denna metod var mer effektiv och fortsatte att använda den i ytterligare experiment. Genom att öka trycket, de erhöll PrH9. Tidigare, de hade syntetiserade föreningar av väte och lantan, en annan metall från samma serie, med samma teknik. Molekylerna de erhållit är speciella genom att de är en "förbjuden" i klassisk kemi, eftersom de inte följer dess regler. Även om praseodymatomens elektroniska struktur är sådan att den inte tillåter den att binda till många andra atomer, förekomsten av sådana "felaktiga" föreningar kan förutses genom komplexa kvantberäkningar och bevisas genom experiment.

Också, forskarna undersökte supraledningsförmågan hos de nya ämnena genom att mäta elektrisk motstånd vid olika temperaturer och tryck och fann att praseodymiumhydrid blir supraledande vid -264 ° C, vilket är mycket lägre jämfört med LaH10, även om de två föreningarna är likartade både kemiskt och strukturellt. Författarna undersökte orsakerna till skillnaden i egenskaperna genom att jämföra sina resultat med andra studier och fann att metallens position i det periodiska systemet och dess egenskaper spelar en avgörande roll. Det visade sig att praseodymiumatomer fungerar som givare för elektroner:till skillnad från sina grannar, lantan och cerium, de bär små magnetiska ögonblick som undertrycker supraledning som fortfarande kan inträffa, fast vid lägre temperaturer.

"Vi tillämpade den metod som tidigare användes för att syntetisera lantanhydrider och lyckades skapa nya superledande metalliska praseodymiumhydrider. Vi gjorde två huvudsakliga slutsatser. För det första, du kan få onormala föreningar med kompositioner som inte har något med valens att göra; det är, antalet bindningar en atom kan ha med andra atomer. Andra, vi validerade den nya principen för att skapa supraledare. Vi fann att metaller från "labilitetszonen" som ligger mellan grupp II och III i det periodiska systemet är de bästa kandidaterna. Grundämnena närmast "labilitetszonen" är lantan och cerium. Går framåt, vi kommer att gå vidare från detta fynd för att skaffa nya högtemperatur superledare, "säger Skoltech och MIPT -professor, Artem Oganov.