Поиск термодинамически устойчивых при атмосферном давлении сверхпроводящих гидридов в базе данных GNoME

Почему важны сверхпроводники при комнатной температуре

Сверхпроводники — это материалы, способные проводить электричество без потерь, что обещает сверхэффективные энергосети, мощные медицинские томографы и левитирующие поезда. Загвоздка в том, что лучшие современные сверхпроводники обычно работают только при крайне низких температурах или под огромным давлением. В этой статье изучается, могут ли особая группа богатых водородом материалов — гидриды — стать сверхпроводящими при обычных условиях, при комнатном давлении, что является ключевым шагом к практическим устройствам.

Поиск иголок в кристаллическом стоге сена

За последнее десятилетие учёные обнаружили гидриды, которые становятся сверхпроводящими при температурах, близких к комнатным, но только при сжатии между алмазными наковальнями под давлением более миллиона атмосфер. Такие условия нереалистичны для реальных кабелей или электроники. При этом теоретические работы намекали, что некоторые гидриды могли бы быть сверхпроводящими при гораздо более низких давлениях, даже при нормальном атмосферном давлении, но многие из этих перспективных фаз кажутся слишком нестабильными, чтобы существовать вне компьютера. Основной вопрос этой работы — существуют ли гидриды, которые одновременно термодинамически устойчивы при комнатном давлении и способны проявлять сверхпроводимость на уровне, интересном для технологий.

Дать тяжёлую работу умной базе данных

Авторы обратились к недавно выпущенному ресурсу — базе данных GNoME, огромной коллекции компьютерно предсказанных кристаллов, считающихся устойчивыми при абсолютном нуле. Среди более чем 300 000 кандидатов они сначала отфильтровали неметаллические материалы и сосредоточились на структурах с кубической кристаллографией — шаблоне, уже известном как благоприятный для сверхпроводимости в гидридах. Это дало управляемый набор в несколько сотен гидридов. Чтобы избежать огромных вычислительных затрат на детальный анализ каждого из них, они использовали модель машинного обучения — продвинутую нейронную сеть, обученную на известных сверхпроводниках — для быстрой оценки температур перехода, при которых каждый материал стал бы сверхпроводящим.

От быстрых предположений к тщательным расчётам

Только наиболее перспективные кандидаты из этапа машинного обучения передавались для более точных квантово-механических расчётов. Эти высокоточные симуляции учитывали взаимодействие электронов с колебаниями кристаллической решётки — ключевой классический механизм сверхпроводимости. На втором этапе исследователи вычислили более надёжные температуры перехода и выявили 25 гидридов, которые, по прогнозам, будут сверхпроводящими при температурах выше точки кипения жидкого гелия (4,2 К). Большинство из них попадают в диапазон 5–10 К, сопоставимый с некоторыми коммерческими сверхпроводящими сплавами, но решающим является то, что они предсказаны как термодинамически устойчивые при атмосферном давлении, что делает их более реалистичными целями для экспериментального синтеза.

Выдающийся кандидат и его внутренние механизмы

Одно соединение, кубический гидрид LiZrH6Ru, выделилось как главная находка исследования. Первичные оценки указывали на температуру перехода выше 20 К — уже впечатляющий показатель для стабильного гидрида при атмосферном давлении. Команда затем подвергла этот материал серии продвинутых теоретических проверок, включая методы, учитывающие квантовое движение атомов водорода, тонкие эффекты электрон-электронного отталкивания и возможность того, что различные электронные зоны вносят разный вклад в сверхпроводимость. Эти более сложные расчёты понизили лучшую оценку температуры перехода до примерно 17 К, но одновременно повысили уверенность в реалистичности предсказания. Они также показали, что умеренное сжатие материала может ещё повысить его температуру перехода, при этом оставаясь далеко от колоссальных давлений, наблюдаемых в рекордных гидридах.

Обещания, ограничения и следующие шаги

Хотя ни один из обнаруженных гидридов не приближается к комнатной температуре при атмосферном давлении, это исследование даёт важный вывод: при строгом требовании настоящей термодинамической устойчивости наиболее реалистичные сверхпроводящие гидриды при нормальном давлении, по прогнозам, будут иметь скромные, но всё ещё технологически значимые критические температуры — в лучшем случае в десятках кельвинов. Авторы утверждают, что их тщательно проверенный список из 25 кандидатов, особенно LiZrH6Ru, предлагает экспериментаторам конкретный и достижимый набор целей. Подтверждение этих предсказаний в лаборатории продвинет потенциальные приложения и улучшит инструменты для поиска в огромном пространстве возможных сверхпроводящих материалов.

Цитирование: Sanna, A., Cerqueira, T.F.T., Cubuk, E.D. et al. Search for thermodynamically stable ambient-pressure superconducting hydrides in the GNoME database. Commun Phys 9, 94 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02552-4

Ключевые слова: сверхпроводимость, гидриды, машинное обучение, открытие материалов, атмосферное давление