Рентгеновская спектроскопия никелатов подтвердила современную теорию сверхпроводимости

Higashi K. et al. / Physical Review X, 2021

Физики из Австрии и Японии применили метод рентгеновской спектроскопии для исследования электронной структуры никелата. В материалах этого типа ученые надеются достичь высокотемпературной сверхпроводимости. Результаты эксперимента хорошо совпали с предсказаниями, сделанными в рамках теории среднего поля. Исследование опубликовано в Physical Review X, а препринт работы выложен на сайт arXiv.org.

Сверхпроводниками называются материалы, в которых при достаточно низких температурах исчезает электрическое сопротивление. Обычно эта критическая температура близка к абсолютному нулю, и важнейшей практической и теоретической задачей является исследование высокотемпературных сверхпроводников. Долгое время самым перспективным классом материалов для достижения высокотемпературной сверхпроводимости считались купраты. Эти сверхпроводники состоят из слоев оксида меди, чередующихся со слоями оксидов других металлов. В материалах этого класса удалось достичь критической температуры 133 кельвин.

Около 20 лет назад ученые предположили, что еще более перспективными сверхпроводниками могут быть никелаты. Они аналогичны купратам, но вместо атомов меди содержат никель. В 2019 году физики впервые наблюдали сверхпроводимость в материале этого класса при температуре 9–15 кельвин. Сверхпроводимость при температурах около 30 кельвин и ниже хорошо описывается теорией Бардина – Купера – Шриффера, но она перестает работать при более высоких критических температурах. Чтобы выяснить, в каких никелатах возможна высокотемпературная сверхпроводимость, нужна другая теория сверхпроводимости.

Современная теория сверхпроводимости в никелатах основана на динамической теории среднего поля. Для проверки правильности этого описания группа физиков из Австрии и Японии под руководством Яна Кунеша (Jan Kuneš) из Венского технического университета изучила электронное строение двух никелатов с помощью метода рентгеновской спектроскопии и сравнила результаты с выводами теории. Суть экспериментального метода состоит в облучении поверхности вещества рентгеновскими лучами и извлечении информации об электронном строении материала по спектру тех электронов, которые были выбиты из вещества фотонами, а также спектру поглощения рентгеновских лучей материалом.

Одним из важнейших входных параметров в теории среднего поля является минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы он перескочил с атома никеля на атом кислорода. Напрямую измерить эту величину очень тяжело, и ее нахождение с помощью метода рентгеновской спектроскопии является одним из основных экспериментальных результатов работы. Ученые предсказали результаты эксперимента для разных значений энергии перескока электрона с помощью теории среднего поля и сравнили с данными измерений для никелатов LaNiO2 и NdNiO2 (см. рисунок). Требуя максимально близкого совпадения экспериментальных данных с предсказаниями теории, ученые смогли найти энергию перескока, которая для обоих материалов оказалась равна приблизительно 5 электронвольтам.

Качественно предсказания теории довольно хорошо совпали с результатами эксперимента, однако количественно согласие не очень хорошее, и исследователи не смогли объяснить это расхождение в рамках теории среднего поля. Тем не менее ученые рассчитывают, что качественное согласие теории и эксперимента будет иметь место и для других никелатов, и это поможет установить, в каком конкретно сверхпроводнике из этого класса материалов может быть достигнута высокотемпературная сверхпроводимость.

Ранее мы рассказывали об открытии сверхпроводимости при комнатной температуре, но сверхвысоком давлении в твердом материале на основе сероводорода и метана.

Андрей Фельдман

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.