В МГУ создали монокристаллы новых потенциальных сверхпроводников на основе висмута и переходных металлов.

Синтезированные монокристаллы тройных висмутидов с общей формулой Ba(Ag или Au)₁.₈Bi₂. Соединение, содержащее золото, было получено впервые. Фото: Ксения Лиокумович, химический факультет МГУ.

Сверхпроводимостью называют способность некоторых соединений проводить электрический ток без потерь. Электрическое сопротивление материала падает до нуля, когда его температура опускается ниже так называемой критической температуры – для каждого материала она своя и обычно довольно низкая, приближающаяся к абсолютному нулю. Но существует целый ряд веществ – они получили название высокотемпературные сверхпроводники – которые проявляют сверхпроводящие свойства при относительно высоких температурах, например, выше температуры кипения жидкого азота (-196 °C). Сейчас рекорды высокотемпературности сверхпроводников приблизились уже чуть ли не к комнатным температурам, вот только для достижения этого состояния требуется либо колоссальное давление, либо другие специфические условия, получить которые можно разве что в лаборатории. Поэтому получение материала, демонстрирующего сверхпроводящие свойства в «естественных условиях», пусть даже где-нибудь на крайнем Севере или в Антарктиде, пока ещё заветная мечта физиков и химиков всего мира.

Несмотря на более чем столетнюю историю изучения сверхпроводимости, учёным предстоит разобраться со множеством нюансов этого явления. Так, при изучении свойств сверхпроводящих материалов очень важно уметь синтезировать их в виде достаточно крупных монокристаллов. Монокристалл, в отличие от «поликристалла», имеет непрерывную кристаллическую решётку. Проще говоря, держа монокристалл в руках, можно непосредственно увидеть и потрогать увеличенную в миллиарды раз геометрию кристаллической решётки вещества. Для физхимиков кристаллы размером в несколько миллиметров интересны тем, что их исследование позволяет получить на порядок больше информации по сравнению с изучением поликристаллических образцов. Монокристаллы имеют, как правило, более высокое качество, а их свойства зависят от кристаллографических направлений: физические свойства кристалла «вдоль» в этом случае отличаются от его свойств «поперёк». Кроме того, некоторые физико-химические 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.

В 2008 году был открыт новый класс сверхпроводников (так называемые сверхпроводники семейства 122), представляющие собой слоистые структуры из атомов железа и некоторых элементов V или VI группы периодической системы. С одной стороны, открытие сверхпроводимости у соединений железа было довольно неожиданным, а с другой – эти соединения проявляли свойства высокотемпературных сверхпроводников, что разрушало долгую «монополию» высокотемпературных сверхпроводящих купратов – соединений на основе меди. Открытие подстегнуло поиск новых сверхпроводников этого семейства с похожей структурой, но на основе других химических элементов. Так, сверхпроводимость была открыта у некоторых соединений висмута с барием, платиной или палладием.  

Совсем недавно у группы исследователей из химического факультета МГУ, факультета химии Высшей школы экономики и Института общей и неорганической химии РАН возникла идея изучить похожие химические структуры на основе висмута, но где вместо платины и палладия были бы серебро и золото. Как сообщают в Crystals исследователи, им удалось вырастить крупные (до 4 мм в линейных размерах) монокристаллы двух представителей слоистых висмутидов с формулами BaAg₁.₈Bi₂ и BaAu₁.₈Bi₂.

Рентгеноструктурный анализ полученных монокристаллов (а они оказались гигроскопичными, поэтому работать с ними пришлось в специальных герметичных боксах) показал, что их структура относится к ранее не встречавшейся разновидности, в которой атомы серебра и золота по-разному разупорядочены в кристаллических слоях. Схожесть кристаллического строения синтезированных веществ со строением сверхпроводников семейства 122 дают надежды, что новые соединения висмута могут оказаться сверхпроводниками, а может даже и высокотемпературными. Проверить эту гипотезу исследователи собираются в самое ближайшее время.

По материалам пресс-службы МГУ имени М.В. Ломоносова.