В Физическом институте им. П. Н. Лебедева (ФИАН) синтезирован кристалл нового высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) на основе железа. В конце прошлого года было завершено оборудование лаборатории по твердофазному синтезу и росту кристаллов ВТСП. Результат первого эксперимента показал принципиальную возможность получения таких кристаллов в ФИАНе. О перспективных разработках в этой области рассказывает старший научный сотрудник лаборатории сверхпроводимости ФИАН кандидат физико-математических наук Юрий Ельцев.
Недавно исполнилось ровно сто лет с момента открытия Камерлинг-Оннесом сверхпроводимости. В первый период развития сверхпроводимости ее носителями были в основном металлы, а максимальная критическая температура не превышала 10К (9К в Nb, 7.2К в Pb). По мере дальнейшего развития к 70-м годам ХХ века была достигнута критическая температура в 23К (Nb3Ge). В этот же период были получены соединения Nb-Ti и Nb3Sn, использование которых открыло возможность создания высокополевых сверхпроводящих магнитов. Из этих материалов до сих пор изготавливаются провода, используемые для производства магнитов, которые широко применяются в медицине, научных исследованиях.
В 1986 году швейцарские ученые Беднорц и Мюллер открыли высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) на основе купратов, где была достигнута температура сверхпроводящего перехода 36К (вещество это ранее было синтезировано во Франции и в СССР, в Институте неорганической химии, но до критической температуры его сопротивление промерено не было). Затем развитие пошло очень бурно — через несколько лет критическая температура достигла 135К в соединениях на основе ртути, в создании которых участвовали физики из МГУ Антипов и Путилин. После открытия ВТСП было опубликовано огромное количество работ, стали успешно использоваться не применявшиеся ранее для исследования сверхпроводимости самые различные методы исследования кристаллической структуры, электронных свойств этих материалов.
В 2008 году были открыты новые сверхпроводники — пниктиды, где сверхпроводимость реализуется в слоях Fe-As. В пниктидах критическая температура сверхпроводящего перехода достаточно высока (55К), причем на их сверхпроводящие свойства относительно слабо (по сравнению со всеми другими известными сверхпроводниками) действует магнитное поле. На сегодняшний день рекордные критические магнитные поля отмечены именно в пниктидах. Но наиболее удивительным обстоятельством является тот факт, что высокотемпературная сверхпроводимость реализуется в соединениях, где железо (хорошо известный магнетик) является одним из элементов элементарной ячейки, поскольку на ранних этапах развития сверхпроводимости считалось, что сверхпроводимость и магнетизм — два взаимоисключающих явления. Сегодня пниктиды рассматриваются как весьма перспективные материалы для использования на практике.
Рассказывает старший научный сотрудник лаборатории сверхпроводимости ФИАН кандидат физико-математических наук Юрий Ельцев: «В конце прошлого года в институте заработала лаборатория по созданию новых сверхпроводящих материалов. В основном мы реализуем два метода. Более простой — это твердофазный синтез, когда исходные элементы в соответствии со стехиометрической формулой тщательно перемешиваются, запаиваются в ампулу и спекаются. В результате химической реакции в условиях высокой температуры получается поликристаллическое соединение, где кристаллиты ориентированы случайным образом. Это не очень хорошо для исследования, поскольку пниктиды являются анизотропным материалом. По этой причине важным элементом для проведения исследований является получение монокристаллов.
Для этой цели может быть использован самый простой способ, когда вещество можно просто расплавить и медленно охладить его, либо более технологически приемлемый, когда подбирается соответствующий растворитель, позволяющий снизить температуру процесса. Это может быть, например, хлористый калий, либо металлическое олово, либо нестехиометрическая смесь элементов, входящих в состав кристалла. Процесс технологически очень сложный, тем не менее, нам удалось провести один успешный опыт. Получены кристаллы соединения 1-2-2 на основе бария с небольшим замещением на калий. Хотя получена не оптимальная температура (32К), а только 8К, этот результат очень важен. Ведь в России такие кристаллы пока только начинают выращивать. На ближайшие месяцы у нас подготовлены еще несколько экспериментов — надеемся выйти на оптимальную критическую температуру для этого класса ВТСП. Физики-исследователи очень ждут такие кристаллы, поскольку идей для проведения исследований их свойств довольно много.
Кроме того, в самое последнее время оформилось новое модное сейчас течение — так называемые топологические изоляторы. Это материалы, на границе которых при определенных условиях могут возникнуть незатухающие токи. Теоретиками предложено несколько возможных видов таких материалов, и первые экспериментальные исследования в мире уже начались. Эта проблема также связана и со сверхпроводимостью — в ряде случаев топологические изоляторы становятся сверхпроводниками. И сейчас мы проводим первые эксперименты по выращиванию кристаллов топологических изоляторов, которые могут, как ожидается, быть использованы при создании приборов на основе спинтроники».
АНИ «ФИАН-информ»
