Международная команда исследователей, в состав которой входит химик из МГУ, получила новые интересные результаты по физике высокотемпературной сверхпроводимости.

История сверхпроводимости начинается в 1911 году, когда голландец Камерлинг-Оннес, впервые получивший жидкий гелий, обнаружил, что при температуре близкой к абсолютному нулю (0 К или -273,15° С) ртуть полностью теряет электрическое сопротивление. Столь низкие температуры стали непреодолимым барьером на пути практического применения открытия. За 75 лет температуру перехода в сверхпроводящее состояние (критическую температуру Т_с) удалось поднять всего лишь до 23,2 К для Nb₃Ge.

Сверхпроводящий поток (красные трубочки) проходит через пустоты между электронными кристаллами (желтые пузыри). Источник: RICMASS

Модель структуры сверхпроводника. Источник: Сергей Казаков

Старший научный сотрудник кафедры электрохимии химического факультета МГУ Сергей Казаков

Хронология создания высокотемпературных проводников (по вертикали отложена Тс) Источник www.chem.msu.su

В 1986 году произошла революция – была обнаружена способность керамики на основе оксидов меди с другими элементами  (купратов) переходить в сверхпроводящее состояние при более высокой температуре. В течение последующих десятилетий было открыто несколько соединений обладающих свойством высокотемпературной сверхпроводимости. Однако теория этого явления окончательно не создана и по сей день

С точки зрения нашей истории интерес представляет то, что в 1993 году молодые химики МГУ Евгений Антипов и Сергей Путилин с коллегами открыли ряд ртутьсодержащих сверхпроводников с общей формулой HgBa₂Ca_n-1Cu_nO_{2n+2+ у}, один из которых до сих пор имеет наибольшее известное значение критической температуры при нормальном давлении (135 К). Их ученик Сергей Казаков после окончания аспирантуры уехал работать в Федеральный швейцарский технологический институт Цюриха, где занимался проблемами синтеза и роста монокристаллов под высоким давлением.  В 2005 году он вернулся в МГУ и стал старшим научным сотрудником кафедры электрохимии химического факультета. Именно в Швейцарии Сергей Казаков вырастил кристаллы HgBa₂CuO_4+y, которые исследовались в настоящей работе. Их выбор связан с тем, что они являются идеальным объектом для изучения модельных явлений, так обладают неискаженной тетрагональной структурой и максимальной температурой перехода (Т_с =95 К) среди однослойных купратов.

Температуры перехода в сверхпроводящее состояние у таких соединений сильно зависят от содержания кислорода и числа слоев (CuO₂). Кислород здесь является допантом, т.е. добавкой, повышающей электрическую проводимость вещества. Проблема в том, что его хаотическое введение в исходный кристалл порождает дефекты кристаллической решетки, которые должны сказаться на формировании сверхпроводящего состояния. Однако кристалл – это не просто совокупность атомов, расположенных в виде правильной решетки, его лучше представлять в виде двух отдельных компонент: положительных ионов, которые расположены в узлах решетки, и электронов проводимости, распределенных по кристаллу и обладающих «коллективными» свойствами. Ионы определяют форму и механические свойства кристалла, а электроны — его электрические и магнитные свойства.

Взаимодействие этих двух компонент друг с другом порождает интересные эффекты. Один из них заключается в том, что некоторые кристаллы при температуре существенно ниже комнатной становятся «полосатыми». Ионы уже не сидят в узлах строго периодической кристаллической решетки, а группируются в полоски шириной в несколько атомных слоев. Из-за соответствующего смещения электронов на поверхности возникают чередующиеся полоски положительного и отрицательного заряда – так называемые волны зарядовой плотности. Это можно обнаружить по рассеянию рентгеновских лучей.

Оказалось, что волны зарядовой плотности могут «гасить» неоднородности внедрения примеси в кристалл. Собственно в этом и заключается суть данной работы. Физикам впервые удалось продемонстрировать, что распределение кислородных дефектов у сверхпроводящих купратов не является случайным, а показывает упорядоченное поведение, которое взаимодействует с волной зарядовой плотности. Результаты исследований опубликованы в журнале Nature.

Ученые полагают, что их работа даст новый взгляд на сложное явление высокотемпературной сверхпроводимости на наноуровне и  сможет пролить свет на его теорию, которая до сих пор не установлена окончательно. Возможно, это позволит со временем разработать сверхпроводники, работающие при комнатной температуре. Пока что исследователи доказали, что эффект проявляется при температуре в −70°C, а это уже сравнимо с самыми низкими естественными температурами в Арктике. 

По материалам МГУ.