Сотрудники химического и физического факультетов МГУ совместно с коллегами из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН исследовали интерметаллическое соединение галлия и молибдена, обладающее необычными сверхпроводящими свойствами. Ученым удалось доказать, что в этом веществе разделены поверхностная и объемная сверхпроводимость.
Сверхпроводники привлекают большое внимание благодаря уникальной способности передавать электричество без потерь. Один из фундаментальных параметров сверхпроводника – сверхпроводящая щель. Это энергетическая величина, связанная с особенностями сверхпроводящего состояния.
Большую часть сверхпроводников можно описать с использованием теории БКШ, названной по первым буквам фамилий ее создателей: Бардина, Купера и Шриффера. Эта теория хорошо описывает сверхпроводники с одной щелью и небольшим изменением теплоемкости при фазовом переходе, а также со слабым электрон-фононным взаимодействием. К ним относятся металлы и интерметаллические соединения, которые очень активно исследовались в сороковые, пятидесятые и шестидесятые годы прошлого столетия.
«Сейчас мы пытаемся выяснить, почему существуют сверхпроводники, которые не описываются теорией БКШ, – рассказал руководитель исследования, заведующий кафедрой неорганической химии химического факультета МГУ член-корреспондент РАН Андрей Шевельков. – Например, двухщелевые сверхпроводники. Их известно очень мало, всего три доказанных и десяток предполагаемых. Поэтому мы не знаем, какими свойствами они обладают, как влияет наличие двух щелей. Единственный способ понять – найти их и тщательно исследовать».
В течение нескольких лет в литературе велись споры, может ли интерметаллическое соединение галлия и молибдена, Mo8Ga41, быть двухщелевым сверхпроводником. Данные были противоречивыми, а из-за очень сильного электрон-фононного взаимодействия этот сверхпроводник не попадает в рамки теории БКШ, поэтому описать его параметры и понять поведение трудно.
«В нашей работе удалось показать, что это очень специфический однощелевой сверхпроводник, – объяснил Андрей Шевельков. – В нем сочетаются разные физические свойства: объемная и поверхностная сверхпроводимость. Поэтому при физических измерениях кажется, что в этом сверхпроводнике две щели. На самом деле одна относится к объему вещества, а другая – к его поверхности».
Для выяснения этого вопроса были задействованы четыре основных метода исследования. Например, очень точный рентгенодифракционный анализ с использованием синхротронного излучения, с помощью которого можно оценить качество линий и понять их особенности.
Также использовались измерения магнитных, сверхпроводящих свойств и данные двух типов спектроскопии: ядерного магнитного резонанса и ядерного квадрупольного резонанса. Совокупность этих методов и анализ полученных данных позволили дать окончательный ответ на поставленный вопрос.
«Пока неизвестно, какое применение соединения такого типа могут найти в будущем, – пояснил Андрей Шевельков. – Однако при сочетании сверхпроводимости на поверхности и в объеме могут возникнуть интересные свойства. Например, теоретически возможно создать сверхпроводник, который будет частично выталкиваться магнитным полем, то есть объединить в одном веществе магнетизм со сверхпроводимостью».
Работа выполнена в рамках национального проекта «Наука и университеты», который призван поддерживать и развивать научную деятельность и образование в России, и профинансирована Министерством науки и высшего образования Российской Федерации, проект № 075-15-2021-1353. Результат опубликован в журнале Intermetallics.