Поиск сверхпроводящих икосаэдрических гидридов методом проектирования координационного числа

Почему это важно для будущих технологий

Сверхпроводники — материалы, проводящие электричество без сопротивления — могут преобразить энергосети, медицинские сканеры и даже компьютеры будущего. Но большинство известных сверхпроводников работают только при очень низких температурах или под огромным давлением. В этом исследовании предложен умный новый подход к проектированию сверхпроводящих материалов из водорода и металлов, направленный на повышение рабочей температуры и снижение требований к давлению. Тщательно регулируя, сколько атомов водорода окружает тяжёлый металлический атом, авторы показывают, как «запрограммировать» сверхпроводимость в новых соединениях.

Создание кандидатов в сверхпроводники как молекулярный конструктор

Исследователи сосредоточились на семействе материалов, называемых гидридами, богатых водородом. Водород лёгок и легко вибрирует — свойства, которые благоприятствуют сверхпроводимости при взаимодействии электронов с этими колебаниями. Вместо того чтобы случайно проверять тысячи комбинаций, команда начинает с известного соединения BaReH9, где рений (Re) окружён девятью атомами водорода в чётко определённом кластере. Затем они систематически задают вопрос: что произойдёт, если поместить больше водорода вокруг рения и изменить способ связи этих атомов? Этот принцип проектирования — настройка числа соседних атомов, известного как координационное число — действует как структурный регулятор для сверхпроводящих свойств.

Открытие двенадцативодородной «клетки» с сильными эффектами

С помощью продвинутых компьютерных симуляций при очень высоких давлениях авторы картировали, какие комбинации бария (Ba), рения и водорода устойчивы. Они выявили несколько перспективных соединений, включая Ba2ReH8 и, что важнее, BaReH12. В BaReH12 при давлении порядка 100 миллиардов атмосфер (100 ГПа) каждый атом рения окружён 12 атомами водорода, расположенными в почти совершенной икосаэдрической клетке. Эта высокоcимметричная структура образует особую единицу, обозначаемую как [ReH12]2−, которая функционирует как строительный блок для сверхпроводимости. Расчёты показывают, что это соединение может стать сверхпроводящим при температурах около 128 кельвинов — больше чем посередине между абсолютным нулём и комнатной температурой, что особенно высоко для столь химически простого материала.

Как лишние электроны и «мягкие» водородные связи помогают

Кроме геометрии, число электронов в каждой водородно‑металлической единице оказывается критичным. Единицы с нечётным числом электронов обычно ведут себя как металлы, то есть их электроны свободно перемещаются — важное условие для сверхпроводимости. В BaReH12 именно такая единица с нечётным числом электронов, что способствует проводимости. В то же время атомы водорода между соседними «клетками» не образуют очень прочных связей; они связаны достаточно, чтобы взаимодействовать, но не настолько сильно, чтобы электронные состояния стали жёсткими. Такое сочетание — нечётный электронный счёт, высокая симметрия и относительно слабое водород‑водородное сцепление — обеспечивает сильное сцепление между электронами и атомными колебаниями, механизм, лежащий в основе обычной сверхпроводимости в этих гидридах.

Когда увеличение давления становится избыточным

При дальнейшем росте давления аккуратная двенадцативодородная «клетка» начинает искажаться. В форме BaReH12 при более высоком давлении четыре атома водорода оказываются разделёнными между соседними центрами рения, повышая координационное число до 14 и понижая симметрию. Этот структурный поворот ослабляет взаимодействие между электронами и колебаниями и снижает температуру перехода в сверхпроводящее состояние примерно до 40 кельвинов. Аналогично, другое соединение, Ba2ReH8, имеет иную оболочку водорода и дополнительные атомы бария, которые отталкивают водородные «клетки» друг от друга. Оно также становится сверхпроводящим, но лишь около 19 кельвинов. Эти сопоставления подчёркивают, насколько чувствительна сверхпроводимость к тонким изменениям в расположении атомов.

Простые правила для проектирования лучших сверхпроводников

В целом исследование предлагает ясный рецепт для поиска новых высокотемпературных гидридных сверхпроводников. Начните с водородно‑металлических единиц с нечётным числом электронов, окружите их положительно заряженными атомами, такими как барий, которые отдают электроны и стабилизируют структуру, и стремитесь к высокосимметричным «клеткам» с нежно связанными атомами водорода между ними. Рассматривая эти водородные клетки как настраиваемые строительные блоки, учёные получают мощный новый набор приёмов для исследования материалов, которые однажды могут сверхпроводить при практических температурах и при менее экстремальных давлениях — приближая к реальности приложения от безпотерьной передачи энергии до более компактных магнитов.

Цитирование: Song, H., Du, M., Zhang, Z. et al. Search for superconducting icosahedral hydrides via coordination number engineering. Commun Phys 9, 59 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02494-x

Ключевые слова: сверхпроводящие гидриды, материалы при высоком давлении, водородосодержащие соединения, инжиниринг координационного числа, BaReH12