Новости химической науки > Связь между строением вещества и сверхпроводимостью

Сверхпроводимость представляет собой редкое физическое явление, которое заключается в способности вещества проводить электрический ток практически без сопротивления. Сверхпроводимые свойства присущи лишь ряду веществ, причем даже для них они реализуются только в определенных условиях – низких температурах и высоких давлениях.

Группа исследователей, включающая Элиссаиоса Ставру (Elissaios Stavrou), Сяо-Цзя Ченя (Xiao-Jia Chen), Александра Гончарова (Alexander Goncharov) и Артема Оганова (Artem Oganov), изучила, каким образом изменения структуры арсенидов железа обуславливают появление у них сверхпроводимых свойств.

(a) Кристаллическая решетка NaFe₂As₂, подобная решетке ThCr₂Si₂; b) Кристаллическая решетка NaFeAs, подобная PbClF. (Рисунок из Scientific Reports, 2015 DOI: 10.1038/srep09868)

Хотя уже сейчас сверхпроводимость находит большое количество применений в электронике (например, аппаратура для научных исследований), медицинской технике (МРТ), и с ней связывается большие перспективы в плане создания высокоэффективных устройств передачи энергии или скоростного транспорта, сложность в разработке и создании сверхпроводящих материалов не дает использовать это явление в полную силу. Именно по этой причине любое открытие сверхпроводника (в особенности высокотемпературного) представляет собой исключительный интерес как для ученых, так и для инженеров.

Арсениды железа относятся к сравнительно недавно открытым сверхпроводниковым материалам, возможно, поэтому уточнение природы проявляемых ими сверхпроводимых свойств до сих пор является вызовом для специалистов по физике твердого тела. Сложная взаимосвязь между сверхпроводимостью, строением и магнетизмом в этих веществах до сих пор не раскрыта, при этом ответ на эту загадку позволил бы упростить применение сверхпроводниковых материалов, поскольку арсениды железа проявляют сверхпроводимость при более высоких температурах, чем многие известные сверхпроводники.

Было известно, что комбинация арсенидов с металлами, например, образование изученного в работе натрийсодержащего соединения NaFe₂As₂ приводит к кристаллизации тетраэдрических структур, однако до настоящего времени не было определено точное положение атомов, равно как и то, каким образом оно меняется при увеличении давления.

Считается, что ключом к сверхпроводимости NaFe₂As₂ являются чередующиеся слои железа и мышьяка (As-Fe-As), однако до настоящего момента предполагалось, что при увеличении давления кристаллическая решетка этого соединения превращается в искаженную тетраэдрическую решетку, которая понижает сверхпроводящие способности материала вплоть до утери сверхпроводящих свойств.

Исследователи использовали эксперимент и моделирование для демонстрации возможности протекания этих ранее обсуждавшихся только с теоретической точки зрения переходов – из тетраэдрического в искаженное тетраэдрическое состояние, на атомном уровне. Работа является первым примером попытки связать особенности строения вещества с его сверхпроводимостью и, возможно, найти способы дизайна высокотемпературных сверхпроводящих материалов.

Было продемонстрировано, что при давлении 4 ГПа (около 40000 атм.) NaFe₂As₂ переходит в искаженную тетраэдрическую структуру, что приводит к изменению углов между слоями мышьяк-железо-мышьяк, что совпадает с утратой сверхпроводимости. Также было обнаружено, что такой переход приводит к образованию ковалентных связей между слоями мышьяка. Прямым следствием всех таких изменений является утрата системой двухмерности и сверхпроводимости.

Источник: Scientific Reports, 2015 DOI: 10.1038/srep09868

метки статьи: #кристаллохимия, #природа химической связи, #физическая химия, #химия твердого тела, #электрохимия