Заглядывая в глубины сверхпроводимости: как меняются свойства Ba122 при разных температурах

Физики из ФИАН и МФТИ сделали важный шаг к пониманию природы сверхпроводимости в одном из наиболее изучаемых железосодержащих материалов — BaFe₂As₂, или Ba122. В недавнем исследовании они выяснили, как изменяются его электрические свойства при разных температурах и уровнях легирования никелем. Эти данные не только приближают нас к разгадке механизма высокотемпературной сверхпроводимости, но и открывают новые возможности для создания сверхпроводящих кабелей и мощных магнитов. Результаты работы опубликованы в журнале Solid State Sciences.

Открытые в 2006 году, железосодержащие сверхпроводники стали одним из самых интригующих направлений в физике конденсированного состояния. В отличие от классических сверхпроводников, свойства этих материалов обусловлены необычным, так называемым нетрадиционным механизмом сверхпроводимости — с предполагаемым участием антиферромагнитных спиновых флуктуаций. Их высокая критическая температура и способность работать в сильных магнитных полях делают их крайне перспективными для практического применения.
Среди таких соединений особое внимание учёных привлекает BaFe₂As₂ — материал, который сравнительно просто выращивать в виде крупных монокристаллов и легко модифицировать, вводя примеси (например, никель) или прикладывая внешнее давление. Эти вмешательства позволяют точно настраивать его свойства и исследовать тонкости сверхпроводящего перехода.

Что выяснили исследователи?

Команда учёных синтезировала эпитаксиальные тонкие плёнки состава Ba(Fe₁−ₓNiₓ)₂As₂ с разными уровнями легирования: от недодопированного (x = 0,035) до оптимального (x = 0,05) и передопированного (x = 0,08). Для изучения их свойств были использованы методы терагерцовой и инфракрасной Фурье-спектроскопии, а также спектроскопической эллипсометрии.
С помощью этих методов физики определили ключевые характеристики сверхпроводящего и нормального состояний. В частности, они обнаружили, что плёнки демонстрируют наличие двух сверхпроводящих энергетических щелей — 2,85 и 6,3 мэВ в недодопированном образце, и 3,7 и 7,25 мэВ в оптимально допированном. Эти значения оказались согласованными с аналогичными сверхпроводниками, легированными другими металлами, такими как кобальт и платина. Такой результат говорит о том, что критическая температура и структура сверхпроводящих щелей устойчивы к типу однотипного допанта — свойство, важное для технологической надёжности материалов.
Одно из важных наблюдений касается поведения электронов в нормальном (несверхпроводящем) состоянии. В образцах с высоким содержанием никеля удельное сопротивление и скорость рассеяния электронов демонстрируют квадратичную температурную зависимость — это признак ферми-жидкостного поведения, характерного для обычных металлов. А вот в недодопированном образце зависимость линейная — типичный признак сильно коррелированных систем с нестандартным электронным взаимодействием. Это наблюдение помогает глубже понять, как электронная структура связана с возникновением сверхпроводимости.

Почему Ba122 так важен?

Материалы семейства Ba122 являются многозонными — их поверхность Ферми пересекает несколько энергетических зон, и это даёт возможность возникновения нескольких сверхпроводящих щелей одновременно. Такая структура может играть решающую роль в высокотемпературной сверхпроводимости. Кроме того, благодаря высокой плотности критического тока и способности работать в сильных магнитных полях, они рассматриваются как основа для создания сверхпроводящих лент и магнитоэлектрических устройств.
Но работа с этими материалами — задача не из лёгких. Получение качественных эпитаксиальных плёнок требует высокой точности: «Даже сегодня лишь немногие научные группы в мире способны стабильно выращивать такие плёнки, — рассказывает Илья Шипулин, научный сотрудник ФИАН. — Первые успешные попытки появились только в 2016 году — гораздо позже, чем удалось синтезировать объёмные образцы».

Исследователи планируют продолжить работу с селенидными системами семейства 122, где барий заменяется на калий, рубидий или натрий. Эти соединения ещё более загадочны: в них сверхпроводимость может сосуществовать с магнетизмом, что само по себе выглядит как противоречие. «Такие материалы очень нестабильны на воздухе, поэтому исследования приходится проводить в вакууме или в атмосфере инертных газов», — поясняет Юрий Алещенко, ведущий научный сотрудник ФИАН.

Источник: Физики ещё на один шаг приблизились к пониманию механизма сверхпроводимости в системе Ва122 — За науку