Новые приемы для поиска лучших сверхпроводящих материалов

Два года назад был открыт новый класс перспективных сверхпроводников: так называемые слоистые никелаты. Впервые исследовательской группе из TU Wien удалось определить важные параметры этих новых сверхпроводников путем сравнения теории и эксперимента. Это означает, что впервые доступна теоретическая модель, которая может быть использована для понимания электронных механизмов высокотемпературной сверхпроводимости в этих материалах.

В поисках высокотемпературных сверхпроводников

Сегодня известно много сверхпроводников, но большинство из них являются сверхпроводниками только при чрезвычайно низких температурах, близких к абсолютному нулю. Материалы, которые остаются сверхпроводящими при более высоких температурах, называются «высокотемпературными сверхпроводниками», несмотря на то, что эти «высокие» температуры (часто на порядок ниже -200 ° C) по-прежнему очень низкие по человеческим меркам.

Обнаружение материала, который все еще остается сверхпроводящим при значительно более высоких температурах, было бы революционным открытием, которое откроет дверь для многих новых технологий. Долгое время особенно интересными кандидатами считались так называемые купраты — класс материалов, содержащих атомы меди. Однако теперь еще более перспективным может оказаться другой класс материалов: никелаты, которые имеют структуру, аналогичную купратам, но с никелем вместо меди.

«Было проведено множество исследований купратов, и стало возможным резко повысить критическую температуру, до которой материал остается сверхпроводящим. Если такой же прогресс удастся достичь с недавно открытыми никелатами, это будет огромный шаг вперед », — говорит профессор Ян Кунеш из Института физики твердого тела в Венском техническом университете.

Труднодоступные параметры

Теоретические модели, описывающие поведение таких сверхпроводников, уже существуют. Проблема, однако, в том, что для использования этих моделей необходимо знать определенные параметры материала, которые трудно определить. «Энергия переноса заряда играет ключевую роль», — поясняет Ян Кунеш. «Это значение говорит нам, сколько энергии нужно добавить в систему, чтобы передать электрон от атома никеля к атому кислорода».

Ян Кунеш. Справа: атомы никеля и кислорода и движущиеся электроны между ними. Предоставлено: Венский технологический университет.

К сожалению, это значение нельзя измерить напрямую, а теоретические расчеты чрезвычайно сложны и неточны. Поэтому Ацуши Харики, член исследовательской группы Яна Кунеша, разработал метод косвенного определения этого параметра: когда материал исследуется с помощью рентгеновских лучей, результаты также зависят от энергии переноса заряда. «Мы рассчитали детали рентгеновского спектра, которые особенно чувствительны к этому параметру, и сравнили наши результаты с измерениями различных методов рентгеновской спектроскопии», — поясняет Ян Кунеш. «Таким образом, мы можем определить подходящее значение — и теперь это значение может быть вставлено в вычислительные модели, используемые для описания сверхпроводимости материала».

Важная предпосылка для поиска лучших никелатов

Таким образом, впервые появилась возможность точно объяснить электронную структуру материала и создать параметризованную теоретическую модель для описания сверхпроводимости в никелатах. «Теперь мы можем понять суть вопроса о том, как механику эффекта можно объяснить на электронном уровне», — говорит Ян Кунеш. «Какие орбитали играют решающую роль? Какие параметры важны в деталях? Это то, что вам нужно знать, если вы хотите узнать, как улучшить этот материал, чтобы однажды вы могли производить новые никелаты, сверхпроводимость которых сохраняется даже до значительно более высоких температур ».