Артем Оганов и Дмитрий Семенок из Сколковского института науки и технологий выступили на общелабораторном семинаре под руководством Валерия Швецова 21 сентября 2020 года. Доклады ученых были посвящены нашумевшей теме: возможностям точного предсказания структуры и свойств новых веществ и современным достижениям в этой области, в частности, синтезу и свойствам сверхпроводящих гидридов, открытых в последние годы. Отдельная повестка семинара – обсуждение совместных с ЛНФ исследований в этой области с использованием базы лаборатории и методов нейтронного рассеяния.

«То, чем мы занимаемся, можно назвать предсказанием новых материалов с помощью искусственного интеллекта», - начал выступление всемирно известный ученый Артем Оганов, лауреат многочисленных премий, чьи исследования, по мнению многих ученых, заслуживают Нобелевской премии. (Очередную высокую оценку своих заслуг в мировой науке ученый получил сразу после семинара – письмо с избранием в действительные члены Американского физического общества.). Разработанный Артемом Огановым вместе с учениками метод USPEX имеет дело с самообучающимися эволюционными алгоритмами. Такую «эволюцию» кристаллических структур ученые проводят на компьютере в поисках оптимальных с точки зрения нужных физических свойств (например, твердости) или термодинамической стабильности соединений.

«Метод позволяет с большой точностью предсказать структуру, состав и свойства еще не полученных веществ, в том числе, не вписывающихся в рамки классической химии. Обобщение метода на случай низкоразмерных материалов помогает не только моделировать структуры поверхностей кристаллов, полимеров и наночастиц, но и предсказывать их стабильные составы – часто нетривиальные. Среди пользователей запатентованного метода многие тысячи исследователей, а также крупнейшие компании», - заметил Оганов.

Многие материалы, смоделированные учеными, впоследствии были получены экспериментальным путем. Задачу предсказания кристаллических структур, например, сверхпроводящих при комнатной температуре соединений или других материалов с уникальными свойствами, называют одной из важнейших задач в теоретической кристаллографии, в физике и химии, в геологии и минералогии. 

Так, например, недавно ученые обнаружили связь между положением химического элемента в Периодической таблице Менделеева и его способностью создавать высокотемпературные сверхпроводящие гидриды. О свойствах и синтезе таких новых сверхпроводников, открытых в последние годы, на семинаре рассказал Дмитрий Семенок. Текущие исследования они проводят, используя тройные металлогидридные системы: гидриды лития, лантана, иттрия, урана, тория, магния и бария. Также активно исследуются магнитные гидриды европия, гадолиния и самария.

«Существует четкая корреляция между стабильностью и сверхпроводимостью, а также между стабильностью и номером периода и группы элемента. Наиболее стабильны супергидриды тяжелых элементов, лантаноидов и актиноидов. Эти же элементы образуют уникальные химические соединения. Поэтому гидриды, дейтериды и тритиды таких элементов как радий, актиний, протактиний, прометий, нептуний, плутоний, америций и кюрий представляют огромный интерес для химии высоких давлений и физики сверхпроводимости», - заметил Дмитрий Семенок.

Ученые уверены, что в ближайшие годы гидридная сверхпроводимость выйдет из области сверхвысоких давлений, что позволит создавать на их основе электронные устройства и в перспективе сулит получение материалов, которые проводят ток без потерь при комнатной температуре и обычном давлении. 

О том, какие возможности для исследования новых материалов могут дать методы нейтронного рассеяния, рассказал Денис Козленко, начальник научно-экспериментального отдела нейтронных исследований конденсированных сред ЛНФ ОИЯИ: «Особенности нейтронных методов исследования дают ряд преимуществ по сравнению с синхротронными и рентгеновскими методами при изучении атомного строения материалов, содержащих легкие атомы, особенно на фоне тяжелых элементов. Однако есть и ряд сложностей. Так, сверхпроводящие гидриды синтезируются при воздействии высоких давлений в несколько сотен тысяч атмосфер. Это обуславливает микроскопический объем получаемого материала в камере высокого давления - порядка одной сотой доли кубического миллиметра или даже меньше. В то же время потоки излучения у источниов нейтронов на много порядков меньше по сравнению с источниками синхротронного излучения, что делает исследования под давлением весьма трудно реализуемой задачей.

Тем не менее в последние годы нейтронные методы при воздействии высоких давлений активно развивались в ведущих мировых нейтронных центрах, в том числе и у нас в Дубне на импульсном исследовательском высокопоточном реакторе ИБР-2. Недавно мы создали специализированную установку ДН-6 для исследования атомной и магнитной структуры материалов с помощью нейтронной дифракции. Проведены первые успешные эксперименты при давлении до трехсот пятидесяти тысяч атмосфер. В ближайших планах дальнейшее увеличение рабочего диапазона давлений до пятисот тысяч атмосфер, которого достаточно для изучения атомного строения ряда сверхпроводящих гидридов. По итогам семинара мы обсудили с коллегами из Сколтеха перспективы совместных исследований и возможные варианты для начала экспериментальных работ».

Со своей стороны Дмитрий Семенок добавил: «Действительно, в настоящее время на ДН-6 совместно с Лабораторией нейтронной физики ОИЯИ мы уже проводим калибровочные измерения компонентов для синтеза полидейтеридов металлов, которые должны показать возможность установления структуры подрешетки дейтерия в наших соединениях. В течение этого года мы планируем выбрать наиболее удобный источник дейтерия для синтеза в алмазных ячейках и сделать серию нейтронных дифракционных измерений с полидейтеридами лантаноидов (La, Ce, Pr, Nd). Выяснение истинной структуры подрешетки дейтерия/водорода в этом новом классе соединений крайне важно для понимания их сверхпроводящих свойств. В настоящее время эта структура известна только из теоретических расчетов».