Химики с помощью компьютерного моделирования и экспериментов обнаружили, что уран способен образовывать кристаллические полигидриды, которые обладают высокотемпературной сверхпроводимостью при умеренных давлениях. Самая высокая температура перехода в сверхпроводящее состояние оказалась у гептагидрида урана UH₇, которая в термодинамически устойчивом состоянии составила −219 градусов Цельсия, говорится в статье, опубликованной в Science Advances.

Известные сейчас материалы, сверхпроводящие при рекордно высоких температурах, — гидриды различных элементов с большим количеством атомов водорода. Официальный рекорд (−70 градусов Цельсия) принадлежит сероводороду состава H₃S, наличие сверхпроводимости у которого сначала было предсказано теоретически, а потом было доказано и в экспериментах по уменьшению сопротивления и при измерении эффекта Мёссбауэра. Совсем недавно две группы исследователей обнаружили, что при еще более высокой температуре сверхпроводником может быть гидрид лантана состава LaH₁₀. По словам ученых, сверхпроводящими свойствами он обладает вплоть до −13 градусов Цельсия.

Основная проблема этих соединений состоит в том, что необходимые кристаллические фазы могут быть получены только очень высоких давлениях. Так, для получения сверхпроводящей фазы гидрида серы необходимо давление в 155 гигапаскалей (то есть примерно в полтора миллиона атмосфер), а гидрид лантана LaH10 образуется при еще более высоких давлениях — от 1,7 до 2 миллионов атмосфер. Поэтому ученые продолжают искать похожие соединения, которые тоже обладают сверхпроводящими свойствами при достаточно высоких температурах, но требуют при этом более низких давлений.

Группа ученых из России, Китая, США и Германии под руководством Ивана Круглова (Ivan Kruglov) и Артема Оганова (Artem Oganov) из ВНИИ автоматики имени Духова, МФТИ и Сколтеха проверила на сверхпроводящие свойства семейство гидридов еще одного элемента — урана. Единственное устойчивое соединение, которое уран образует с водородом при атмосферном давлении, — это тригидрид состава UH₃. Также было известно, что при комнатной температуре возможно образование отдельных молекул гидридов урана и другого состава, а вот систематического изучения кристаллических структур, которые уран может образовывать с водородом при других давлениях, ранее не проводилось.

Предсказанные кристаллические структуры гидридов урана различного состава. Оранжевым цветом обозначены атом урана синим — водородные кластеры. Снизу показаны кластерные структуры, которые может образовывать водород в таких соедиениях. Ivan A. Kruglov et al./ Science Advances, 2018

Чтобы подробно исследовать, какие соединения уран с водородом образуют при различных давлениях (от атмосферного до 5 миллионов атмосфер), ученые сначала провели компьютерное моделирование с помощью алгоритма прогнозирования кристаллической структуры USPEX, основанной на сочетании метода теории функционала плотности в рамках обобщенного градиентного приближения (generalized gradient approximation) и метода проекционных соединительных волн. Оказалось, что в зависимости от условий в системе урана и водорода возможно образование 13 различных гидридов. При этом у пяти из них: UH₇ , UH₈, UH₉, U₂H₁₃ и U₂H₁₇ — были обнаружены сверхпроводящие свойства. Атомы урана в этих соединениях располагаются по узлам гранецентрированной кубической или гексагональной плотноупакованной решеток, а водород формирует кубические кластеры H8, которые находятся между атомами урана.

Оказалось, что самой высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние обладает гептагидрид урана UH7. Этот гидрид термодинамически устойчив при давлении в 220 тысяч атмосфер, и сверхпроводящие свойства появляются у него при температуре −219 градусов Цельсия. Однако при последующем уменьшении давления эта фаза остается метастабильной, а температура перехода поднимается до −206 градусов Цельсия.

Затем данные, полученные с помощью численного моделирования, ученые подтвердили и в эксперименте, синтезировав как несверхпроводящий гидрид UH5 при давлении в 50 тысяч атмосфер, так и высокотемпературные сверхпроводники UH7 — при 310 тысячах атмосфер и UH8+δ — при 450 тысячах атмосфер. Кристаллографические данные полностью подтвердили теоретические оценки.

По словам авторов работы, полученные результаты говорят о перспективности исследования гидридов урана и других актиноидов в качестве потенциальных высокотемпературных сверхпроводников. По температуре перехода в сверхпроводящее состояние полученные соединения пока уступают как гидридам других элементов, так и, например, купратным соединениям, однако условия, при которых они могут быть получены и остаются устойчивыми, делают полигидриды урана (так же, как гидриды актиния и тория) крайне перспективными. Одним из возможных способов повысить температуру перехода авторы работы называют легирование соединений другими элементами.

Александр Дубов