В МГУ вырастили уникальные сверхпроводящие кристаллы
Соединения ранее неизвестного семейства слоистых электрон-дефицитных висмутидов — аналогов железосодержащих сверхпроводников, синтезировали и изучили химики МГУ, 24 июля сообщает пресс-служба университета.
Работа, выполненная химиками МГУ в рамках проекта «Развитие синхротронных и нейтронных исследований и инфраструктуры для материалов энергетики нового поколения и безопасного захоронения радиоактивных отходов», относится к приоритетным исследованиям, которые могут серьезно повлиять на промышленность, прогресс и качество жизни.
Результаты исследования ученые представили в статье, опубликованной в специальном выпуске журнала Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, посвященном 100-летию со дня рождения Рудольфа Хоппе, одного из основателей в Европе химии твердого тела.
Изучение нового семейства слоистых электрон-дефицитных висмутидов представляет для науки фундаментальный интерес в области химии твердого тела, а кроме того, выявленные в результате исследования структурные особенности этого семейства и выполненный расчет электронного строения предполагают наличие у него интересных физических свойств.
В настоящее время сверхпроводники уже имеют большое количество применений и активно исследуются учеными из-за своей уникальной способности передавать электричество без потерь при нулевом сопротивлении, возникающем при температуре и силе тока ниже критических.
Чтобы отыскать сверхпроводники с высокими эксплуатационными характеристиками, сочетающими сверхпроводимость с другими полезными свойствами, физики и химики исследуют соединения различного элементного состава и строения.
Соавтор исследования, профессор кафедры неорганической химии химфака МГУ Игорь Морозов пояснил его суть:
«Идея синтезировать и исследовать соединения висмута состава 122, содержащие щелочной и переходный металлы, родилась в связи с открытием в 2008 году сверхпроводимости в имеющих аналогичное строение железосодержащих соединениях мышьяка. Особый интерес к этим нетрадиционным сверхпроводникам связан с тем, что механизм сверхпроводимости в них не удается описать в рамках уже существующих моделей. Замена мышьяка на висмут в изучаемых соединениях может привести к появлению новых свойств, связанных с характерным для висмута сильным спин-орбитальным взаимодействием».
Ученые МГУ из висмутового расплава в ходе его медленного охлаждения вырастили монокристаллы четырех ранее неизвестных слоистых висмутидов семейства 122 с общей формулой ATM₂Bi₂, где A — щелочной металл (калий, рубидий, цезий), TM — переходный металл (цинк, кадмий).
Трудности при получении этих соединений создавало наличие щелочных металлов, из-за которых приготовление реакционных смесей приходилось вести в перчаточном боксе в атмосфере сухого аргона. Присутствие щелочных металлов может вызвать бурное взаимодействие реагентов непосредственно в ходе приготовления реакционной смеси.
«Сложной задачей оказалось определение кристаллической структуры полученных соединений. Они чрезвычайно гигроскопичны и склонны к расслаиванию, в результате чего даже при минимальном механическом воздействии нарушается упорядочение слоев и происходит потеря монокристалличности. Нам удалось решить эту нетривиальную задачу и установить структуру рубидиево-кадмиевого соединения традиционным методом монокристального рентгеноструктурного анализа», — поделился Игорь Морозов.
Структурное исследование выращенных слоистых висмутидов показало их интересную особенность: при переходе от производных цинка к производным кадмия происходит значительное сближение слоев, в результате чего атомы висмута из соседних слоев начинают взаимодействовать между собой.
Другой особенностью оказалось отклонение количества валентных электронов в элементарной ячейке от обычного в меньшую сторону. Предполагается, что эти структурные особенности приведут к необычным физическим свойствам данных соединений.
«В настоящее время пока не были реализованы все возможные сочетания щелочного и переходного металлов. Необходимо синтезировать оставшиеся члены семейства и изучить для всех полученных соединений магнитные и транспортные свойства. Также идет подготовка публикации, в которой будут представлены данные по их электронному строению и физическим свойствам», — описал текущее состояние проекта Игорь Морозов.
