Ученые из ФИАН и МФТИ показали, как меняются свойства сверхпроводников из семейства железосодержащих монокристаллов Ba122 от температуры. Они предложили теоретическое обоснование, объясняющее эти изменения. Понимание полученных зависимостей поможет в разработке новых материалов для сверхпроводящих проводов и лент, а также мощных магнитов. Результаты работы опубликованы в журнале Solid State Sciences.
Железосодержащие сверхпроводники были открыты в 2006 году и до сих пор активно изучаются. Этот класс материалов обладает высокотемпературной сверхпроводимостью. В отличие от обычных сверхпроводников, их свойства определяются нетрадиционным механизмом сверхпроводимости, который объясняется сложным взаимодействием электронов. Ученые считают, что основной вклад вносят антиферромагнитные спиновые флуктуации.
Один из таких материалов — железосодержащий монокристалл BaFe2As2 (Ba122). Он привлекает внимание ученых, во-первых, относительной простотой его выращивания, благодаря чему возможно получать большие и высококачественные монокристаллы этих соединений, а, во-вторых, возможностью изменять свойства этого материала с помощью добавления примесей, например, никеля или прикладывая давление.
«Семейство материалов Ba122 относится к многозонным системам, т. е. поверхность Ферми могут пересекать несколько зон. Благодаря этой особенности они могут демонстрировать несколько сверхпроводящих щелей — энергетических зазоров, обеспечивающих нулевое электрическое сопротивление в материале при низких температурах», — сообщил Юрий Алещенко, ведущий научный сотрудник ФИАН.
«Ba122 обладает слоистой кристаллической структурой, в которой слои железа и мышьяка разделены прокладками на основе бария вдоль кристаллографического с-направления. При комнатной температуре Ba122 является парамагнитным металлом с тетрагональной структурой. Однако при частичной замене железа на никель подавляется антиферромагнитный порядок и возникает сверхпроводящее состояние», — рассказал Борис Горшунов, заведующий лабораторией терагерцовой спектроскопии Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Физики синтезировали эпитаксиальные пленки Ba(Fe1−xNix)2As2 с различными уровнями допирования никелем Ni: х= 0,035 (недопированные), х = 0,05 (оптимально допированные) и х = 0,08 (передопированные). Затем, пользуясь методами терагерцовой и инфракрасной Фурье-спектроскопии и спектроскопической эллипсометрии, ученые исследовали, как полученные образцы проводят статический и переменный электрический ток и взаимодействуют с электромагнитным излучением. На основе полученных данных они смогли определить важные характеристики сверхпроводящего и нормального состояний этого материала.
«Как в любом новом деле, а особенно если это касается создания нового материала, были свои трудности в получение высококачественных эпитаксиальных тонких пленок Ba(Fe1−xNix)2As2 методом импульсного лазерного осаждения. Даже на сегодняшний день лишь немногие научные группы в мире могут выращивать такие пленки. Первые сообщения о получении оптимально допированных пленок Ba(Fe1−xNix)2As2 появились лишь в 2016 году, значительно позже сообщений о синтезе объемных образцов», — поделился Илья Шипулин, научный сотрудник ФИАН.
Результаты исследований показали, что пленки демонстрируют наличие двух сверхпроводящих энергетических щелей. Физики определили величины этих щелей: 2,85 мэВ и 6,3 мэВ для недодопированной пленки; и 3,7 мэВ и 7,25 мэВ для оптимально допированной пленки. Как показало сравнение этих величин с энергетическими щелями других сверхпроводников семейства Ba122 с аналогичными уровнями электронного допирования Co и Pt, одинаковые количества однотипного допанта оказывают аналогичное влияние на критическую температуру Тс и сверхпроводящие щели в этих материалах. Иными словами, сверхпроводимость рассматриваемых железосодержащих сверхпроводников устойчива к изменению однотипного допанта и не подвержена тонкой настройке.
Было показано, что допирование никелем существенно меняет свойства системы Ba122. В оптимально допированнных и передопированных образцах Ba(Fe1−xNix)2As2 наблюдается квадратичная температурная зависимость удельного сопротивления и скорости рассеяния электронов в нормальном состоянии. Это означает, что при низких температурах электроны ведут себя как в обычных металлах, то есть описываются в рамках ферми-жидкостной модели. В недодопированном образце наблюдается линейная температурная зависимость этих параметров, что характерно для систем со сложным взаимодействием в системе электронов.
Железосодержащие сверхпроводники перспективны для создания сверхпроводящих проводов и лент, поскольку обладают высокими значениями критических токов и критических магнитных полей.
«Мы планируем продолжить исследования селенидов семейства 122 с замещением бария на калий, рубидий и натрий. Эти системы интересны тем, что в них сверхпроводимость сосуществует с магнетизмом, что само по себе является парадоксальным свойством. Исследовать такие материалы очень сложно, так как они нестабильны из-за воздействия атмосферной влаги, поэтому все работы с ними проводят в вакууме или в атмосфере инертных газов», — поделился Юрий Алещенко.
