Обогащенный дырками купрат бария оказался высокотемпературным сверхпроводником

Физики смогли синтезировать кислород-дефицитный купрат бария Ba2CuO4-y, который становится сверхпроводящим уже при 73 кельвинах. Это соединение обладает структурой перовскита с очень сжатым октаэдром и концентрацией дырок выше, чем раньше считалось оптимальным для подобных сверхпроводников. Результаты исследования, опубликованного в Proceedings of the National Academy of Sciences, ставят под вопрос современные представления о сверхпроводимости в купратах.

Явление сверхпроводимости (способность проводить электрический ток без сопротивления) уже нашло множество применений: из сверхпроводников изготавливают сверхмощные магниты для магнитно-резонансной томографии и Большого адронного коллайдера, сверхточные детекторы магнитного поля. Однако полностью понять механизмы этого явления пока не удалось. Исследователи продолжают поиски способов повышения критических температур, при которых вещества проявляют сверхпроводимость.

В нормальных условиях купраты являются изоляторами и не проводят электрический ток, однако если из них «удалить» часть электронов (легировать дырками), то при охлаждении они переходят в сверхпроводящее состояние. Ученые уже выяснили, что купраты имеют высокие критические температуры при атмосферном давлении, однако механизм сверхпроводимости в этих веществах полностью не изучили. Все до сих пор известные сверхпроводящие купраты имеют слоистую структуру из сверхпроводящих плоскостей CuO2, между которыми концентрируются дырки, способные переносить заряд. «Резервуар» для заряда между слоями оксида меди представляет собой октаэдр, в котором, благодаря эффекту Яна-Теллера и сильным кулоновским взаимодействиям, связи с кислородом между слоями длиннее, чем в плоскости CuO2. В  результате взаимодействия с атомами меди формируется электронная структура купратов, которая позволяет им проводить ток без сопротивления.

До сих пор считалось, что критическая температура соединений с оксидом меди чувствительна к концентрации дырок и сверхпроводимость можно наблюдать при низких значениях дефицита кислорода. Если легирование дырками (p) превышает оптимальное значение (около 0,15), сверхпроводимость пропадает. Также предполагают, что существует взаимосвязь критической температуры с длиной связей между атомами кислорода в плоскостях CuO2. С уменьшением этого расстояния, уменьшается и температура, при которой в купратах наблюдают сверхпрововдимость.

Веньминь Ли (Wenmin Li) с коллегами из Института физики Китайской академии наук получили и охарактеризовали перелегированный Ba2CuO4-y со структурой купрата лантана и критической температурой выше 70 кельвинов. Так как радиус иона бария слишком большой, ученым пришлось проводить синтез при давлении около 18 гигапаскалей и температуре около тысячи градусов Цельсия в окислительной атмосфере.

Полученное вещество стало сверхпроводящим при температуре 73 кельвина, примерно на 30 кельвинов выше критической температуры изоструктурного купрата лантана-стронция. Методом рентгеновской дифракции авторы исследовали кристаллическую решетку и обнаружили, что расстояние между длинами связей Cu-O в плоскостях CuO2 оказались длиннее, чем связи между плоскостями. Вопреки ранним предположениям, критическая температура купрата оказалась выше, когда октаэдр из атомов кислорода, которые окружали медь, «сплющили».

По спектрам поглощения мягкого рентгеновского излучения авторы установили, что концентрации дырок в веществе превышали значения, которые до этого считали оптимальными для появления эффекта сверхпроводимости в купратах.

По словам авторов, эта работа вносит большой вклад в понимание механизмов сверхпроводимости в купратах и откроет дорогу появлению новых сверхпроводников. Больше о явлении сверхпроводимости читайте в нашем материале.

Алина Кротова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.