О сверхпроводимости материалов: поиск условий продолжается

В 1986 году ученые неожиданно обнаружили, что оксид меди лантана-бария, La_1,85Ba_0,15CuO₄, становится сверхпроводником (имеет нулевое электрическое сопротивление) при температуре около -238°С. Этот результат вызвал одно из самых интенсивных экспериментальных и теоретических исследований в области физики конденсированных сред. Вскоре было обнаружено, что многие другие оксиды меди (купраты) близки к сверхпроводимости при температуре -138°С. Однако после более чем 30 лет разрозненности научных мнений относительно основного механизма купратной сверхпроводимости, в журнале «Nature», Д. Ли и другие сообщают, что оксид никеля-стронция и никеля, Nd_0,8Sr_0,2NiO₂, имеет сверхпроводимость при температурах, ниже -258°С. Этот материал имеет кристаллическую структуру, подобную купратным сверхпроводникам.

Согласно данным научного журнала Nature, сверхпроводимость может возникнуть в металлическом материале, если обычное отталкивающее взаимодействие между электронами превращается в притягивающее. В этом случае реакция окружающих движущийся заряд атомов электронов косвенно приводит к спариванию последних. При достаточно низкой температуре эти спаренные электроны конденсируются с образованием сверхтекучей жидкости (состояния вещества, которое течет без трения), которое демонстрирует нулевое электрическое сопротивление. Ключом к пониманию сверхпроводимости в данном материале является определение механизма, который обеспечивает «связующий клей».

Обычно пространственное смещение атомов вблизи электрона формирует привлекательную область для другого электрона. Аналогия с двумя тяжелыми шариками на пружинном матраце, при которой углубление в матраце, сделанное одним из шариков, создает привлекательную область для другого шарика. Однако в некоторых научных теоретических работах было высказано предположение, что этот эффект слишком мал для объяснения высокотемпературной сверхпроводимости купратов.

В связи с этим, исследователи считали, что спины (вращение) движущихся электронов могут вызывать отклонения в магнитном порядке (упорядоченной структуре атомных спинов) купратов. Что касается аналогии с матрасом, то эти отклонения представляют собой углубления матраса, а сильные взаимодействия между спинами соседних ионов Cu²⁺ представляют собой пружины матраса. Чтобы понять, как работает этот механизм, рассмотрим купратный сверхпроводник La_1.85Ba_0.15CuO₄, который получается из соединения La₂CuO₄ путем замены некоторых атомов лантана барием.

В La₂CuO₄ электроны определенного иона Cu²⁺ не могут двигаться благодаря их сильному отталкиванию к электронам окружающих ионов Cu²⁺. В результате материал является электрическим изолятором. Каждый ион Cu²⁺ имеет нечетное число электронов и суммарный спин 1/2. Ионы имеют сильный антиферромагнитный порядок, что означает, что спины соседних ионов направлены в противоположные стороны.

Когда лантан в La₂CuO₄ частично заменяется барием, электронные вакансии, называемые дырками, вводятся в систему в процессе, известном как легирование. Эти дыры мигрируют в плоскости CuO₂ в материале. Если их плотность достаточно низкая, они действуют как свободно движущиеся носители заряда, что приводит к металлическому поведению. Комбинация иона Cu²⁺ и легированной дырки имеет четное число электронов и суммарный спин 0 (ноль), что вызывает сильное возмущение в направлениях вращения окружающих ионов Cu²⁺. Именно это изменение магнитного фона, связанное с легированием дырок, приводит к спариванию.

В течение последних 30 лет исследователи искали сверхпроводимость в других соединениях, которые имеют плоскости, содержащие ионы со спином 1/2. Примерами таких соединений являются LaNiO₂ и NdNiO₂, которые содержат чередующиеся плоскости лантана или неодима и NiO₂. Ионы Ni¹⁺ в этих материалах могут играть ту же роль в индукции сверхпроводимости, что и ионы Cu²⁺ в La_1.85Ba_0.15CuO₄. Несколько групп ученых использовали LaNiO₂ и NdNiO₂ как в виде порошка, так и в виде тонких пленок. Однако сверхпроводимости (и признаков магнитного порядка) обнаружено не было.

Д. Ли и коллеги вырастили тонкую пленку NdNiO₂, а затем легировали ее дыркой, заменив некоторые ионы Nd³⁺ ионами Sr²⁺. Они обнаружили, что полученный материал, Nd_0,8Sr_0,2NiO₂, сверхпроводит при температурах до -258°С. После примерно 30 лет попыток ученые наконец-то нашли не купратное соединение, которое имеет купратоподобную структуру и которое обладает сверхпроводимостью при удивительно высоких температурах. Но, в отличие от купратов, в NdNiO₂ нет никаких признаков магнитного порядка вплоть до температуры -271°С. Таким образом, открытие авторов может указывать на то, что магнетизм не несет исключительной ответственности за купратную сверхпроводимость.

Однако этот вывод основан на предположении, что купраты и дырочный NdNiO₂ имеют схожие электронные структуры. Есть три причины, по которым это предположение может быть неверным. Во-первых, в купратах дырки находятся в основном на 2p электронных орбиталях атомов кислорода. Спины этих дырок антиферромагнитно соединяются со спинами соседних ионов Cu²⁺, создавая суммарный спин 0. В отличие от этого, в дырочно-легированном NdNiO₂ дырки находятся в основном в ионах Ni¹⁺ и приводят к ионам Ni²⁺, которые в обычных оксидах имеют вращение 1. Но, возможно, ситуация здесь отличается от ситуации с обычными оксидами. Рентгеновская спектроскопия может определить, так ли это, если имеются достаточно хорошие образцы.

Во-вторых, антиферромагнитная связь между спинами может быть существенно сильнее в купратах, чем в NdNiO₂. Это различие будет соответствовать отсутствию магнитного порядка в NdNiO₂.

И в-третьих, теоретическое исследование предполагает, что 5d электронные орбитали атомов лантана в LaNiO₂ и атомов неодима в NdNiO₂ участвуют в электрическом переносе. В случае подтверждения, этот результат может полностью изменить картину. В частности, на локальные спины будет влиять связь с делокализованными проводящими электронами, как в соединениях, называемых системами Кондо. Последние показывают минимум на графике удельного сопротивления в зависимости от температуры, что наблюдается для NdNiO₂.

Поэтому необходимо решить много вопросов, прежде чем можно будет сделать вывод, что электронные структуры купратов и NdNiO₂, легированного дырками, схожи. В будущей работе следует проверить, что ионы никеля в NdNiO₂ являются ионами Ni¹⁺, определить локальную симметрию и спин состояний с дырочным легированием и исследовать, как температура, при которой материал становится сверхпроводящим, изменяется с дырочным легированием. Химический состав материала также должен быть проверен, поскольку могут образоваться нежелательные гидриды или гидроксиды. Тем не менее, работа Ли и его коллег могла бы изменить ситуацию в нашем понимании сверхпроводимости в купратах и купратоподобных системах, что, возможно, привело к появлению новых сверхпроводников.