Не по правилам: цезий отобрал электроны у лития, получился сверхпроводник

Учёные из Сколтеха, Педагогического университета Цзянсу и других исследовательских институтов предсказали существование неожиданных соединений лития и цезия, которые образуются под высоким давлением. Для этих новых веществ характерны нетрадиционные химические свойства, невиданные кристаллические структуры и сверхпроводимость: при температуре ниже 223–213°C они проводят ток без сопротивления. Результаты исследования опубликованы в журнале Nano Letters.

При нормальных условиях литий и цезий друг с другом не реагируют. Но, как оказалось, под давлением ситуация меняется и эти элементы могут образовать несколько соединений. Некоторые из них предсказывались и прежде, однако в новом исследовании научная группа из Китая, России и США обнаружила дополнительные и более стабильные фазы, всего — четыре соединения с высоким содержанием лития и диковинными формулами вроде Li₁₄Cs, которые не найти в учебнике химии. Учёные опирались на фундаментальную теорию и более надёжный, чем у предшественников, алгоритм — метод эволюционного предсказания кристаллических структур USPEX, разработанный ранее группой профессора Сколтеха и соавтора статьи в Nano Letters Артёма Оганова.

«Итак, при нормальных условиях мы не ждём никакой реакции, но если бы ждали, то литий должен был бы отнимать электроны у цезия, который является наименее электроотрицательным элементом в школьной таблице Менделеева, — объясняет Оганов. — То есть с чем бы он ни реагировал, он, казалось бы, должен электроны только отдавать».

Электроотрицательность — ключевая характеристика атома, которая показывает, насколько ему свойственно отбирать электроны у других, менее электроотрицательных атомов. Оганову и его коллегам ранее удалось распространить это понятие на высокие давления, что в некотором смысле перестраивает таблицу Менделеева.

«Под давлением ситуация меняется и цезий отбирает электроны у лития, а не наоборот, — продолжает учёный. — Как следствие такой необычной химии образуются четыре новых вещества. Причём два из них — Li₁₄Cs и Li₆Cs — имеют ранее неизвестные топологии кристаллической структуры».

Для соединений всего двух элементов это большая редкость.

Согласно расчётам авторов исследования, открытые ими соединения лития и цезия являются сверхпроводниками. То есть при температуре ниже определённого порога, который для четырёх веществ варьируется от −223°C до −213°C, они не имеют электрического сопротивления — такие материалы давно исследуются учёными в надежде однажды создать с их помощью линии электропередачи без тепловых потерь энергии, высокопроизводительные микрочипы и сверхмощные электромагниты для поездов на магнитном подвесе и реакторов термоядерного синтеза.

«Разумеется, с точки зрения критической температуры сверхпроводники из этого исследования заведомо уступают полигидридам — так называются соединения некоторых металлов и водорода с высоким содержанием последнего. Но наша работа даёт более глубокое понимание химии лития, другие соединения которого — назовём их условно „литиидами“, хотя пока неясно, существуют ли они, — могут быть интересны в плане сверхпроводимости», — подытожил Оганов, рассуждая, что атом лития очень похож на водород и мог бы гипотетически заменить его в подобных полигидридам соединениях.

Как и у водорода, у лития один валентный электрон, и он тоже относится к самым лёгким элементам, а это благоприятно для сверхпроводимости: известно, что чем ниже масса атома, тем выше будет критическая температура соответствующего сверхпроводника, если он есть.

Как и многие другие аномалии химии высоких давлений, нетрадиционное соотношение электроотрицательностей в системе цезия и лития, когда первый отнимает электроны у последнего, предсказано опубликованной в прошлом году шкалой электроотрицательностей элементов под давлением Дуна — Оганова. Подробнее: «Новая шкала электроотрицательностей перевернула химию высоких давлений».

Помимо учёных из Сколтеха и китайского Педагогического университета Цзянсу, в исследовании принимали участие их коллеги из Невадского университета в Лас-Вегасе (США), Самарского государственного технического университета (Россия) и Северо-западного политехнического университета (Китай). Артём Оганов подтверждает получение финансирования от Российского научного фонда (грант № 19-72-30043).