Збагачений дірками купрат барію виявився високотемпáним надпровідником

Фізики змогли синтезувати кисень-дефіцитний купрат барію Ba₂CuO_4-y, який стає надпровідним вже при 73 кельвинах. Це з'єднання має структуру перовскіту з дуже стислим октаедром і концентрацією дірок вище, ніж раніше вважалося оптимальним для подібних надпровідників. Результати дослідження, опублікованого в, ставлять під питання сучасні уявлення про надпровідність у купратах.

Явище надпровідності (здатність проводити електричний струм без опору) вже знайшло безліч застосувань: з надпровідників виготовляють надпотужні магніти для магнітно-резонансної томографії і Великого адронного колайдера, надточні детектори магнітного поля. Однак повністю зрозуміти механізми цього явища поки не вдалося. Дослідники продовжують пошуки способів підвищення критичних температур, при яких речовини проявляють надпровідність.

У нормальних умовах купрати є ізоляторами і не проводять електричний струм, однак якщо з них «видалити» частину електронів (легувати дірками), то при охолодженні вони переходять у надпровідний стан. Вчені вже з'ясували, що купрати мають високі критичні температури при атмосферному тиску, проте механізм надпровідності в цих речовинах повністю не вивчили. Усі досі відомі надпровідні купрати мають прошарковиту структуру з надпровідних площин CuO₂, між якими концентруються дірки, здатні переносити заряд. «Резервуар» для заряду між шарами оксиду міді являє собою октаедр, в якому, завдяки ефекту Яна-Теллера і сильним кулонівським взаємодіям, зв'язки з киснем між шарами довші, ніж у площині CuO₂. В результаті взаємодії з атомами міді формується електронна структура купратів, яка дозволяє їм проводити струм без опору.

Досі вважалося, що критична температура сполук з оксидом міді чутлива до концентрації дірок і надпровідність можна спостерігати при низьких значеннях дефіциту кисню. Якщо легування дірками (p) перевищує оптимальне значення (близько 0,15), надпровідність зникає. Також припускають, що існує взаємозв'язок критичної температури з довжиною зв'язків між атомами кисню в площинах CuO₂. Зі зменшенням цієї відстані, зменшується і температура, при якій в купратах спостерігають надпровідність.

Веньмінь Лі (Wenmin Li) з колегами з Інституту фізики Китайської академії наук отримали і охарактеризували перелегований Ba₂CuO_4-y зі структурою купрату лантану і критичною температурою вище 70 кельвінів. Оскільки радіус іона барія занадто великий, вченим довелося проводити синтез при тиску близько 18 гігапаскалей і температурі близько тисячі градусів Цельсія в окислювальній атмосфері.

Отримана речовина стала надпровідною при температурі 73 кельвіна, приблизно на 30 кельвінів вище критичної температури ізоструктурного купрату лантана-стронцію. Методом рентгенівської дифракції автори досліджували кристалічну решітку і виявили, що відстань між довжинами зв'язків Cu-O в площинах CuO₂ виявилися довшою, ніж зв'язки між площинами. Всупереч раннім припущенням, критична температура купрату виявилася вищою, коли октаедр з атомів кисню, які оточували мідь, «сплющили».

За спектрами поглинання м'якого рентгенівського випромінювання автори встановили, що концентрації дірок у речовині перевищували значення, які до цього вважали оптимальними для появи ефекту надпровідності в купратах.

За словами авторів, ця робота робить великий внесок у розуміння механізмів надпровідності в купратах і відкриє дорогу появі нових надпровідників. Більше про явище надпровідності читайте в нашому матеріалі.