Ученые раскрыли электронное строение сверхпроводников на основе никеля
Американские ученые использовали рентгеновские лучи, чтобы разобраться в электронной структуре высокотемпературных сверхпроводников-никелатов. Они обнаружили, что никелаты и купраты очень похожи друг на друга, однако никелаты обладают более слабыми магнитными взаимодействиями внутри структуры, а волна зарядовой плотности у них устроена куда сложнее. Исследование поможет понять принцип работы перспективных высокотемпературных сверхпроводников и разработать эффективные системы для энергосбережения. Статья опубликована в журнале Physical Review X.
У некоторых металлов и сплавов происходит резкое падение электрического сопротивления до нуля при достижении определенной критической температуры. Такая температура называется критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводимость — это квантовое явление, суть которого заключается в полном отсутствии препятствий для прохождения электрического тока через материал. Обычно критическая температура близка к абсолютному нулю. Впервые явление сверхпроводимости было обнаружено у ртути при температуре кипения жидкого гелия 4,2 К ≈ -268 °С. Такая температура считается стандартной. Однако в последние несколько лет были открыты и изучены так называемые высокотемпературные сверхпроводники, обладающие сверхпроводимостью при относительно высоких температурах. Относительно высокая температура в этом случае означает температуру выше 77 К ≈ -196 °С — температуру кипения жидкого азота. То есть эти температуры на самом деле не такие уж высокие. Удобство их заключается в том, что жидкий азот намного дешевле и доступнее гелия.
Долгое время самыми перспективными материалами для достижения высокотемпературной сверхпроводимости считались купраты на основе оксида меди. В этих материалах удавалось достичь критической температуры в 133 К ≈ -140 °С и сделать их сверхпроводящими при нормальном давлении. Около 20 лет назад ученые предположили, что еще лучше на эту роль могут подойти никелаты — аналогичные материалы, только на основе оксида никеля. Чтобы выяснить, можно ли считать никелаты настоящими аналогами купратов, нужно подробно изучить их электронную структуру. С этой целью свое новое исследование провели американские ученые.
«Попытка понять, как работают высокотемпературные сверхпроводники, — это вопрос, остававшийся неясным десятилетия», — рассказал Марк Дин из отдела физики конденсированных сред Брукхейвенской лаборатории, руководитель исследования. С тех пор как в 1980-х годах были открыты сверхпроводники на купратов, ученые пытались понять, что заставляет их работать.
Физики работали с Национальным синхротронным источником света II (NSLS-II) Брукхейвенской лаборатории. Они использовали метод рассеяния рентгеновских лучей, принципиально новый подход мягкого неупругого рентгеновского рассеяния (Soft Inelastic X-Ray, SIX). Метод позволил изучить специфическое расположение электрических зарядов, возникающих в никелатах, — упорядоченную электронную структуру, известную как волна зарядовой плотности (ВЗП). Такие волны можно представить как колебания струн: они волнообразно перераспределяют электрический заряд в материале. Это похоже на чередующиеся полосы положительного и отрицательного зарядов. Рентгеновские лучи работают в высоком энергетическом разрешении и позволяют физикам более подробно исследовать материал. В своей работе исследователи сравнили электронные свойства никелата лантана (La4Ni3O8) со свойствами хорошо изученного купрата лантана-стронция (La2−xSrxCuO4). Энергию рентгеновского излучения можно настроить так, чтобы она резонировала либо с никелем, либо с кислородом, либо с другими элементами, и тогда ученые смогут увидеть электронные характеристики каждого отдельного элемента в соединении. Они хотели знать, электроны каких именно элементов способствуют сверхпроводимости в каждом конкретном соединении. В дополнение к этому изучение ВЗП позволило ответить на вопрос, как взаимодействуют ионы никеля в никелатах друг с другом.
Полученные данные действительно указывают на существенное сходство между никелатными и купратными сверхпроводниками, но ученые также нашли различия между ними. Они обнаружили, что медь и никель с кислородом вносят одинаковый вклад в электронные свойства материалов, но магнитные взаимодействия между атомами никеля слабее, чем аналогичные в купратах. Это причина того, почему никелаты магнитятся хуже купратов. А вот волна зарядовой плотности в никелатах работает намного сложнее, чем в купратах: в сверхпроводниках на основе никеля она возникает в результате ансамбля всех элементов сразу.
«Эти результаты показывают, что соединения никеля помогут больше узнать о том, как работают купраты. Они могут указать на различные способы преобразований в соединениях никеля, которые сделают их более похожими на купраты, — так мы сможем корректировать их магнитные свойства и сверхпроводимость», — отметила Дженнифер Сирс, научный сотрудник Брукхейвенской лаборатории.
Следующий шаг — это изучение вклада лантана, стронция и прочих редкоземельных металлов в свойства сверхпроводящих материалов. Высокотемпературные сверхпроводники — перспективное и интересное направление, поскольку они имеют большой потенциал в области энергосбережения. Представьте себе линии электропередач, которые поставляют электричество в дома вдали от ветряных и солнечных электростанций, не теряя при этом ни крупицы энергии. Или же компьютеры, которые функционируют без необходимости дорогостоящего и энергоемкого охлаждения. Инструменты NSLS-II позволят сделать большой шаг вперед в изучении этого вопроса.