Монокристаллы потенциальных сверхпроводников созданы учеными
Коллектив сотрудников кафедр неорганической и физической химии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова вырастил крупные монокристаллы аналогов ранее полученных веществ со сверхпроводниковыми свойствами и изучил их кристаллические и электронные структуры. Работа выполнена в рамках национального проекта «Наука и университеты», который призван поддерживать и развивать научную деятельность и образование в России.
Способность некоторых соединений проводить электрический ток без потерь за счёт отсутствия сопротивления при температуре ниже критической называют сверхпроводимостью. Несмотря на более чем столетнюю историю изучения, ученым предстоит разобраться со множеством нюансов данного явления.
А недавние прорывные открытия в области сверхпроводимости (медные и железные высокотемпературные сверхпроводники и сверхпроводники на основе гидридов редкоземельных элементов) наглядно демонстрируют огромный потенциал практического применения сверхпроводниковых материалов. Некоторые из них уже сегодня используются, например, для создания кубитов квантовых компьютеров и производства сверхпроводящих кабелей, лент и ВТСП-соленоидов, находящих применение в ЯМР-томографах в медицине, ядерной физике и энергетике.
При изучении свойств сверхпроводников особое значение имеет их получение в виде достаточно крупных (с линейными размерами порядка нескольких миллиметров) монокристаллов. Для них физические методы исследования позволяют получить на порядок больше информации по сравнению с поликристаллическими образцами.
Монокристаллы имеют, как правило, более высокое качество, и для них можно изучать те или иные свойства вдоль различных кристаллографических направлений. Кроме того, некоторые методы исследования применимы только к монокристаллическим образцам. Знание свойств новых сверхпроводников необходимо для проверки различных гипотез и развития теории сверхпроводимости, что делает возможным разработку новых и оптимизацию свойств уже существующих соединений. Развитие и внедрение сверхпроводящих технологий может оказать серьёзное влияние на промышленное и техническое развитие и, как следствие, на жизнь людей, по причине чего их относят к приоритетным.
«В связи с недавним открытием сверхпроводимости для некоторых висмутидов со структурным типом BaAu2Sb2, содержащих в своём составе платину и палладий, возникла идея исследовать подобные соединения с серебром и золотом, – рассказал один из авторов работы, профессор химического факультета МГУ Игорь Морозов. – При этом если BaAg1.8Bi2 был получен ещё в 2007 году, то BaAu1.8Bi2 оставался неизвестным до настоящего времени».
Исследователи смогли вырастить крупные (до 4 мм в линейных размерах) монокристаллы двух представителей слоистых висмутидов семейства 122 с общей формулой BaTM1.8Bi2, где TM – переходный металл (серебро или золото) из висмутового расплава при его медленном охлаждении. Соединение, содержащее золото, было получено впервые. Монокристаллы были гигроскопичными и на воздухе постепенно разрушались, поэтому работа с ними осложнялась необходимостью использования перчаточного бокса, заполненного сухим аргоном, для хранения и пробоподготовки образцов.
Учёные провели подробное структурное исследование с использованием метода монокристального рентгеноструктурного анализа. Результаты показали, что полученные соединения относятся к ранее не встречавшейся разновидности структурного типа BaAu2Sb2. Важной особенностью являлось разупорядочение атомов переходных металлов в антифлюоритоподобном слое и частичное заселение их позиции во флюоритоподобном слое. Это сильно отличало соединения типа BaTM1.8Bi2 от других представителей семейства 122 и приводило к существенным особенностям их электронной структуры. Вероятно, это проявится и в необычных физических свойствах этих соединений.
«Нам удалось вырастить относительно крупные монокристаллы тройных висмутидов, установить особенности их кристаллического и электронного строения. Результаты свидетельствуют о заметном сходстве кристаллической и электронной структур полученных соединений и 122 сверхпроводников. Это позволяет сделать предположение о наличии у них сверхпроводимости. В дальнейшем мы планируем изучить свойства полученных тройных висмутидов уже при низких температурах», — пояснил Игорь Морозов.
Исследование поддержано грантом Минобрнауки 075-15-2021-1353, результаты опубликованы в журнале Crystals. Рентгеноструктурные исследования проводились на рентгеновском дифрактометре для анализа монокристаллов Bruker D8 QUEST, приобретенном в рамках Программы развития МГУ.