Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
А. Панчин
«Сумма биотехнологии». Глава из книги


И. Левонтина
«О чем речь». Главы из книги


Ч. Уилан
«Голая статистика». Главы из книги


Интервью М. Гельфанда с С. Шлосманом
«Замечательная статья» значит только то, что она содержит замечательный результат


П. Лекутер, Д. Берресон
«Пуговицы Наполеона». Глава из книги


Д. Вибе
Телескопы с жидкими линзами: как это работает


А. Паевский
Ближайший космос. Быстрее. Лучше. Дешевле


Р. Фишман
Прионы: смертоносные молекулы-зомби


Д. Мамонтов
Торий: спасет ли он планету от энергетического кризиса?


Р. Эспарза, Р. Фишман
Марс: научный гид







Главная / Новости науки версия для печати

Найдено новое семейство сверхпроводников, содержащих железо


Рис. 1. Сверхпроводящие переходы в Gd1–xThxFeAsO (слева) и SmO1–xFxFeAs (справа). Рисунки из статей Cao Wang et al. Thorium-doping–induced superconductivity up to 56 K in Gd1–xThxFeAsO // EPL 83 67006 (2008) и Zhi-An Ren et al. Superconductivity at 55 K in iron-based F-doped layered quaternary compound Sm[O1-xFx]FeAs // arXiv:0804.2053
Рис. 1. Сверхпроводящие переходы в Gd1–xThxFeAsO (слева) и SmO1–xFxFeAs (справа). Рисунки из статей Cao Wang et al. Thorium-doping–induced superconductivity up to 56 K in Gd1–xThxFeAsO // EPL 83 67006 (2008) и Zhi-An Ren et al. Superconductivity at 55 K in iron-based F-doped layered quaternary compound Sm[O1-xFx]FeAs // arXiv:0804.2053

Экспериментальные исследования и теоретические расчеты показывают, что недавно обнаруженный сверхпроводник FeSe (селенид железа) обладает практически такими же магнитными и сверхпроводящими свойствами, как и открытые в начале 2008 года ReOFeAs. Более того, как показали американские ученые, FeSe является представителем целого сверхпроводящего семейства FeX (X = Se, Te, S). Простота кристаллической решетки и нетоксичность соединений FeX должна помочь в изучении и предсказании сверхпроводящих характеристик веществ, содержащих железо.

Чуть меньше года прошло с момента открытия сверхпроводимости в допированном фтором соединении LaOFeAs с критической температурой Tc = 26 К («Элементы» об этом уже сообщали). Неординарного в этом событии, помимо высокой критической температуры Tc этого класса соединений, было то, что сверхпроводящее состояние наблюдалось в материале, содержащем железо — вещество со спонтанной намагниченностью, которое при обычных условиях не бывает сверхпроводящим (железо становится сверхпроводником при давлении выше 15 ГПа и температуре ниже 2 К). А всё потому, что магнетизм считается «злейшим врагом» сверхпроводимости. Магнитные примеси в веществе, как и приложенное к нему магнитное поле, сильно уменьшают критическую температуру. Например, примесь атомов Fe в сплаве Nb3Ti на уровне 0,1% уменьшает его Tc более чем в 20 раз — с 10,5 К до 0,6 К.

Исследования железных оксипниктидов (пниктиды — соединения, которые содержат элементы V группы периодической таблицы: азот, фосфор, мышьяк и т. д.) активно продолжаются: в настоящее время удалось получить рекордную критическую температуру — 56 К — перехода из нормального состояния в сверхпроводящее в поликристаллах Gd1–xThxFeAsO (напомним, что х — степень допирования, индекс х в данном случае обозначает, какую часть атомов гадолиния, Gd, заменили на атомы тория, Th).

Небольшое отступление, связанное с понятием критической температуры. Какую критическую температуру физики считают максимальной? В некоторых статьях, посвященным сверхпроводимости в железных оксипниктидах, «рекордсменом» Tc по-прежнему считают SmO1–xFxFeAs. Дело здесь вот в чём.

В любых сверхпроводниках процесс перехода из нормального состояния в сверхпроводящее не является моментальным и характеризуется некоторой шириной сверхпроводящего перехода ΔT. В низкотемпературных сверхпроводниках ΔT колеблется от 0,001 до 0,1 К. Для высокотемпературных сверхпроводников этот переход может быть более 1 К.

На рис. 1 на примере железных оксипниктидов хорошо видно, что ΔT ≈ 2 К, и как раз здесь возникает «пикантный» вопрос — с какого момента считать Тc? То ли с момента, когда зависимость удельного сопротивления от температуры перестала быть линейной, то ли принимать значение критической температуры, находящейся в середине интервала ΔT, то ли это температура нижней границы сверхпроводящего перехода. Авторы в большинстве своем связывают Tc с началом отклонения от линейного закона уменьшения сопротивления с температурой. При таком подходе критическая температура у Gd1–xThxFeAsO выше, чем у SmO1–xFxFeAs (см. рис. 1).

Дальше обнаружилось, что железные оксипниктиды не единственные соединения с Fe, которые обладают сверхпроводимостью. Чуть позже сверхпроводимость была найдена в соединениях типа AFe2As2 (где A = Ca, Sr, Ba) с Tc, приблизительно равной 38 К для системы BaFe2As2, допированной атомами калия.

Сравнительно недавно, чуть более месяца назад, появилось сообщение о наблюдении сверхпроводимости в соединении, где снова фигурирует железо, а химическая формула еще проще: FeSe (Se — селен). Правда отнести его к классу высокотемпературных сверхпроводников можно с большой натяжкой, так как Tc составляет 8 К. Однако критическая температура может быть увеличена до 27 К путем воздействия на образец сильным давлением (почти 15 атмосфер). Оказалось, что селенид железа FeSe, скорее всего, лишь один из представителей сверхпроводящих халькогенидов с общей формулой FeX, где Х — халькогены (элементы главной подгруппы VI группы периодической таблицы: кислород, сера, селен, теллур, полоний). Есть ли что-то общее между этими семействами «железных» сверхпроводников?

Группа ученых из Окриджской национальной лаборатории провела теоретическое исследование свойств новой группы сверхпроводников FeX, применяя широко распространенный метод в физике твердого тела — теорию функционала плотности, — и показала, что эти вещества обладают такими же структурными, магнитными и электрон-фононными эффектами, как и открытые первыми железные оксипниктиды. В частности, при температурах, в несколько раз превышающих Tc (для FeSe — при температуре около 105 К), кристаллическая решетка меняет свой тип симметрии с тетрагональной на триклинную (для железных оксипниктидов и соединений AFe2As2 происходит смена типа симметрии решетки с тетрагональной на орторомбическую при температурах близких к 100 К — например, для LaOFeAs-системы при 150 K, а в случае с BaFe2As2 при 140 К).

Но что самое интересное и важное, кристаллическая структура FeX существенно проще остальных железных сверхпроводящих соединений (см. рис. 2). В первую очередь, в ней отсутствует дополнительная атомная плоскость, такая как ReO в пниктидах (на рис. 2 слева, центральная плоскость), где в основном и происходит допирование атомами с целью сделать железный оксипниктид сверхпроводящим.

Рис. 2. Сравнение кристаллических структур железных оксипниктидов на примере LaOFeAs (слева), BaFe2As2 (в центре) и FeSe (справа). Оранжевым цветом показаны атомы железа, зеленым — мышьяка, серым — лантана, пурпурным — кислорода, темно-синим — бария, голубым — селена. Рис. с сайта stonebrakerdesignworks.com
Рис. 2. Сравнение кристаллических структур железных оксипниктидов на примере LaOFeAs (слева), BaFe2As2 (в центре) и FeSe (справа). Оранжевым цветом показаны атомы железа, зеленым — мышьяка, серым — лантана, пурпурным — кислорода, темно-синим — бария, голубым — селена. Рис. с сайта stonebrakerdesignworks.com

Этот факт свидетельствует о том, что вся интересующая нас физика происходит в FeX в тетрагональных плоскостях, и наличие атомной плоскости оксипниктида не играет какой-либо роли при попытках объяснения сверхпроводящих свойств ReOFeAs. Таким образом, это дает возможность простого и безопасного (безопасного в том смысле, что мышьяк, который входит в соединения ReOFeAs, — ядовит) синтеза, дальнейшего изучения и предсказания сверхпроводящих свойств всё тех же железных оксипниктидов, используя, к примеру, «простые» соединения FeSe (с равным успехом селен может быть заменен на атомы серы либо теллура).

Еще один важный вопрос для этих сверхпроводников по-прежнему не решен (впрочем, как и для остальных высокотемпературных сверхпроводников), а именно: какой механизм сверхпроводимости в этих соединениях? Если ставить вопрос менее глобально, то хотелось бы для начала понять, образуются ли куперовские пары благодаря классическому механизму — с помощью фононов или нет?

Исследователи использовали обычный школьный метод доказательства от противного: пусть куперовские пары образуются в результате обмена фононами, также как это происходит в низкотемпературных сверхпроводниках. Исходя из этого они решили посчитать значение критической температуры для исследуемых соединений, а затем сравнить его с экспериментальными данными. Всё просто: если температуры посчитанные и наблюдаемые не совпадают, то надо говорить о «необычной» (unconventional) сверхпроводимости в железных халькогенидах. По сути, задача сводится к знанию двух параметров: константы электрон-фононного взаимодействия и константы кулоновского отталкивания. Последующий расчет Tc может основываться на формулах Макмиллана или Аллена–Дайнса (последняя и использовалась авторами), полученных в рамках так называемой БКШ-теории с поправками Элиашберга (см. новость «Металлический водород — сверхпроводник с наибольшей критической температурой?»).

Еще одно небольшое отступление связано с пояснением этих двух величин — константы электрон-фононного взаимодействия и константы кулоновского отталкивания. Электрон-фононное взаимодействие — это процесс взаимодействия электронов с колеблющейся кристаллической решеткой. Когда это взаимодействие превысит кулоновское отталкивание двух электронов, то эти два электрона могут образовать куперовскую пару. Если температура равна нулю, свободный электрон, перемещаясь по кристаллу и возбуждая колебания решетки, может излучить фонон, который будет поглощен другим электроном. В этом случае, как говорят физики, происходит акт электрон-фононного взаимодействия электронов, а значит, электроны могут объединиться в куперовскую пару. Так вот, численно этот процесс можно охарактеризовать константой электрон-фононного взаимодействия. Как определить эту константу? Начнем с того, что существует модель Дебая, в которой колебания кристаллической решетки вещества рассматриваются как газ из фононов. Эти частицы обладают спектром частот, наивысшее значение которых ограничено дебаевской частотой. Спектру частот можно сопоставить две функции — плотность фононных состояний и электрон-фононную спектральную функцию, которые определяются либо теоретическим путем, либо с помощью эксперимента (например, по рассеиванию медленных нейтронов на кристалле). Скажем, для обсуждаемого здесь соединения FeSe функция плотности фононных состояний и электрон-фононная спектральная функция такие:

Рис. 3. Рассчитанные теоретическим путем функция фононных состояний G(ω) (пунктирная линия) и электрон-фононная спектральная функция α2F(ω) (сплошная линия). Фононная частота ω измеряется в единицах обратной длины вследствие выбора единиц с = ħ = 1. Рис. из обсуждаемой статьи
Рис. 3. Рассчитанные теоретическим путем функция фононных состояний G(ω) (пунктирная линия) и электрон-фононная спектральная функция α2F(ω) (сплошная линия). Фононная частота ω измеряется в единицах обратной длины вследствие выбора единиц с = ħ = 1. Рис. из обсуждаемой статьи

Так вот, из электрон-фононной спектральной функции и можно определить безразмерную константу электрон-фононного взаимодействия.

Константа же кулоновского отталкивания (тоже безразмерная величина) учитывает отталкивание двух электронов в куперовской паре и определяется двумя величинами — частотой Дебая и плотностью электронных состояний на уровне Ферми. Для сверхпроводников она едва больше 0,1.

Расчет показал, что константа электрон-фононного взаимодействия равна 0,17, и, даже если взять минимально допустимое значение постоянной кулоновского отталкивания (0,1), то критическая температура не будет превышать 1 К. Конечно, в реальности такая критическая температура не наблюдалась, а значит, так же как и Fe-оксипниктиды, железные халькогениды следует отнести к необычным сверхпроводникам — сверхпроводникам с нефононным механизмом спаривания электронов в куперовские пары. Удивительно, но похожее по своей структуре на железные сверхпроводники соединение LaONiP (никель, как и железо, магнитное вещество) относится, как это было показано, к обычным сверхпроводникам, у которых объединение электронов в куперовские пары происходит за счет фононов. Это говорит о существенной роли в возможном механизме сверхпроводимости иона железа.

Схожесть магнитных свойств ReOFeAs и FeX заключается также в сосуществовании или, как говорят физики, в конкуренции между такими явлениями, как антиферромагнетизм и сверхпроводимость, в зависимости от степени допирования фтором у оксипниктидов (или калием, как у BaFe2As2) и халькогенами у FeX (см. рис. 4).

Рис. 4. Фазовая диаграмма соединения LaOFeAs, показывающая температурную зависимость наблюдения областей сверхпроводимости и антиферромагнитного упорядочения в виде волн спиновой плотности (SDW — spin density waves) от х — степени допирования фтором. Как утверждается в обсуждаемой статье, похожая диаграмма должна иметь место и для соединений вида FeX, только теперь уже допируемых халькогенами. Рис. из статьи H. Luetkens et al. Electronic phase diagram of the LaO1-xFxFeAs superconductor // arXiv:0806.3533
Рис. 4. Фазовая диаграмма соединения LaOFeAs, показывающая температурную зависимость наблюдения областей сверхпроводимости и антиферромагнитного упорядочения в виде волн спиновой плотности (SDW — spin density waves) от х — степени допирования фтором. Как утверждается в обсуждаемой статье, похожая диаграмма должна иметь место и для соединений вида FeX, только теперь уже допируемых халькогенами. Рис. из статьи H. Luetkens et al. Electronic phase diagram of the LaO1-xFxFeAs superconductor // arXiv:0806.3533

Причем в обоих семействах в отсутствие допирования при низких температурах антиферромагнитное состояние существует в виде так называемых волн спиновой плотности (spin density wave) — грубо говоря, периодического уменьшения и увеличения плотности электронных спинов в веществе. И этот период не связан с периодом кристаллической решетки и не имеет никакого отношения к разновидности магнитных возбуждений — спиновым волнам.

Сей факт подтверждает гипотезу, что теорию, объясняющую сверхпроводимость в данных семействах и высокотемпературную сверхпроводимость вообще, как это ни парадоксально, следует искать в главном недруге сверхпроводимости — магнетизме в этих веществах. Что эти спиновые флуктуации и могут быть тем ключом к выявлению механизма образования куперовских пар не только в данном семействе «железных» сверхпроводников, но и во всех высокотемпературных сверхпроводниках.

Теоретические расчеты авторов обсуждаемой статьи подтверждают, что, как и в селениде железа (FeSe), в теллуриде (FeTe) и сульфиде (FeS) железа тоже должны существовать волны спиновой плотности. Они также показывают, что данный тип антиферромагнитного упорядочения должен «ярче» проявляться в FeTe, а значит, теллурид железа, вероятно, имеет Tc еще выше, чем FeSe.

Экспериментальное исследование свойств новой теперь уже группы FeX-сверхпроводников только началось, но данная работа, возможно, покажет направление в изучении этого вопроса, а не останется всего лишь одной из многочисленных статей, посвященных проблеме сверхпроводимости в соединениях с железом.

Источник: Alaska Subedi, Lijun Zhang, D. J. Singh, M. H. Du. Density functional study of FeS, FeSe, and FeTe: Electronic structure, magnetism, phonons, and superconductivity // Phys. Rev. B 78, 134514 (13 October 2008); полный текст статьи доступен как arXiv:0807.4312.

Юрий Ерин


Комментарии (3)



Последние новости: ФизикаЮрий Ерин

23.06
Поиск двухфотонного пика в новых данных ведется слепым анализом
15.06
Вышли статьи ATLAS и CMS о двухфотонном пике при 750 ГэВ
14.06
Коллайдер штампует рекорды
8.06
Опубликованы окончательные результаты по хиггсовскому бозону в сеансе Run 1
7.06
CMS опробовал новую методику «разведки данных»
7.06
LHC выходит на запланированный темп набора данных
6.06
Улучшено ограничение сверху на ширину бозона Хиггса
3.06
Распад бозона Хиггса на мюон и тау-лептон не находит подтверждения в новых данных
11.05
Аномалия в распадах B-мезонов подтверждается еще в одном эксперименте
10.05
ATLAS обновил данные по топ-антитоп-хиггс отклонению

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия