Первые монокристаллы новых ВТСП на основе железа

Сверхпроводимость была открыта голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом в 1911 году, обнаружившего что при 4,2 К обычная металлическая ртуть полностью теряет электрическое сопротивление. В 1933 г. Мейснер и Оксенфельд показали, что сверхпроводники одновременно являются идеальными диамагнетиками.

Всё это приводило к возможности практического применения сверхпроводимости. Однако на пути к реализации этих идей длительное время существовало препятствие — низкая критическая температура (Т_с). По мере развития к 70-м годам ХХ века эту температуру удалось поднять лишь до 23,2 К на интерметаллиде Nb₃Ge. В этот же период были получены соединения NbTi и Nb₃Sn, использование которых позволило создать высокополевые сверхпроводящие магниты. Из этих материалов до сих пор изготавливают провода, используемые для производства магнитов широко применяемых в медицине и научных исследованиях.

В 1986 г. Швейцарские ученые Беднорц и Мюллер обнаружили способность керамики на основе оксидов меди, лантана и бария (La_2-xBa_xCuO₄) переходить в сверхпроводниковое состояние при 30 К. Сложные купраты аналогичного состава были синтезированы в 1978 г. Лазаревым, Кахан и Шаплыгиным, а также французскими исследователями двумя годами позже.

Важнейшей чертой открытия ВТСП явилось то, что сверхпроводимость была обнаружена не у традиционных интерметаллидов, а у оксидной керамики. Это позволило в течение короткого времени создать новые, более совершенные поколения металлоксидных сверхпроводников почти одновременно в США, Японии, Китае и России:

- 1987 г. — Чу и др. синтезируют YBa₂Cu₃O_7-x с Т_с = 93 К;

- 1988 г. Маеда и др. синтезируют серию соединений Bi₂Sr₂Ca_x-1Cu_xO_2x+4, среди которых фаза с x=3 имеет Т_с=108К;

- 1988 г. Шенг и Херман получили Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀ c T с = 125K;

- 1993 г. Антипов, Путилин и др. открыли ряд ртутьсодержащих сверхпроводников со значением критической температуры 135К.

В 2008 году были открыты новые сверхпроводники – пниктиды, где сверхпроводимость реализуется в слоях Fe-As. В пниктидах критическая температура сверхпроводящего перехода достаточно высока (55К), причем на их сверхпроводящие свойства относительно слабо действует магнитное поле. Сегодня пниктиды рассматриваются как весьма перспективные материалы для использования на практике.

В конце 2010 года в институте им. П.Н. Лебедева (ФИАН) заработала лаборатория по созданию новых сверхпроводящих материалов, используя для этого в основном два метода. Первый и более простой - твердофазный синтез: исходные элементы в соответствии со стехиометрической формулой тщательно перемешиваются, запаиваются в ампулу и спекаются. В результате химической реакции в условиях высокой температуры получается поликристаллическое соединение, в котором кристаллиты ориентированы случайным образом. Для проведения исследований это не очень удобно, так как пниктиды являются анизотропными материалами. Поэтому важным моментом является получение монокристаллов.

Для этой цели может быть использован второй способ - расплавление вещества и его медленное охлаждение. Либо более технологически приемлемый способ: подбирается соответствующий растворитель, позволяющий снизить температуру процесса, это может быть, хлористый калий, либо металлическое олово, либо нестехиометрическая смесь элементов, входящих в состав кристалла. Процесс технологически очень сложный. Тем не менее, сотрудникам лаборатории удалось провести успешный опыт, получив кристаллы соединения 1-2-2 на основе бария с небольшим замещением на калий с Тс= 8К (оптимальная температура 32К), но и этот результат очень важен, поскольку в России такие кристаллы только начинают выращивать. На ближайшие месяцы, по словам старшего научного сотрудника лаборатории сверхпроводимости ФИАН кандидата физико-математических наук Юрия Ельцева, подготовлены еще несколько экспериментов, которые позволят выйти на оптимальную критическую температуру для этого класса ВТСП.

«Кроме того, в последнее время оформилось новое модное течение - так называемые топологические изоляторы. Это материалы, на границе которых при определенных условиях могут возникнуть незатухающие токи. Теоретиками предложено несколько возможных видов таких материалов, и первые экспериментальные исследования в мире уже начались. Эта проблема также связана и со сверхпроводимостью - в ряде случаев топологические изоляторы становятся сверхпроводниками. И сейчас сотрудники нашей лаборатории проводят первые эксперименты по выращиванию кристаллов топологических изоляторов, которые, как ожидается, могут быть использованы при создании приборов на основе спинтроники", - Юрий Ельцев.

По материалам АНИ «ФИАН-информ»