Существенный шаг вперед в понимании природы сверхпроводимости в железосодержащих высокотемпературных сверхпроводниках Fe-ВТСП сделан группой ученых при участии сотрудника химического факультета МГУ. Результаты работы, которая опубликована в Nature Physics, позволят приблизиться к пониманию механизма сверхпроводимости в этих новых неклассических сверхпроводниках, которые могут быть использованы в создании мощных электромоторов, магнитных томографов и фильтров для беспроводной связи.
Изучая механизмы формирования сверхпроводимости в железосодержащих сверхпроводниках (Fe-ВТСП), международная группа исследователей при участии сотрудника МГУ впервые пришла к выводу, что, вопреки устоявшемуся мнению, существенную роль в этом процессе играет так называемое спин-орбитальное взаимодействие. Статья о проведённом ими исследовании была опубликована в журнале Nature Physics.
Спин-орбитальным взаимодействием в квантовой физике называют взаимодействие движущейся частицы с её собственным магнитным моментом. В данном случае имеется в виду взаимодействие электронов, находящихся на атомных орбитах с собственным спином. Такое взаимодействие, в частности, приводит к возникновению тонкой структуры энергетического спектра электрона и расщеплению спектроскопических линий атома.
Спин-орбитальное взаимодействие самым разнообразным образом влияет на физические свойства твёрдых тел. Благодаря ему твёрдое тело может стать, например, топологически нетривиальным изолятором (очень популярный у исследователей тип изолятора со специфической электронной структурой), в сверхпроводниках благодаря ему могут формироваться необычные механизмы объединения электронов в куперовские пары.
Однако, в Fe-ВТСП, которые в последнее время привлекают к себе всё больший интерес исследователей, роль спин-орбитальных взаимодействий в формировании сверхпроводящего состояния до сих пор считалась незначительной.
Fe-ВТСП присуща весьма своеобразная электронная структура, которая вызывает у исследователей стремление искать механизмы спаривания, связанные со спиновыми или орбитальными флуктуациями. Такие механизмы сейчас довольно активно дискутируются в научных публикациях.
Разнообразные по составу и строению Fe-ВТСП находятся в центре внимания мирового научного сообщества уже более 7 лет. В работе по изучению этих соединений с самого начала участвовали сотрудники кафедры физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета МГУ, была также вовлечена в эту работу и кафедра неорганической химии химического факультета МГУ.
«В самом начале исследований в 2008 году нам сильно не хватало опыта работы с такими непростыми объектами, как Fe-ВТСП, начиная с оборудования и заканчивая методическими вопросами организации и проведения эксперимента, — вспоминает один из авторов статьи Игорь Морозов, ведущий научный сотрудник кафедры неорганической химии. — Мне как химику-синтетику довелось летом 2008 года в течение месяца поработать в лаборатории синтеза и роста кристаллов Института физики твердого тела в Дрездене (IFW, Dresden), где были созданы подходящие условия для работы с этими непростыми объектами. Опыт совместной работы оказался весьма продуктивен. Уже в тот же год нам удалось получить первые монокристаллы сверхпроводящего LiFeAs. На следующий год был разработан синтетический подход, позволивший воспроизводимо получать монокристаллы LiFeAs высокого качества, в том же году было впервые проведено изучение этих монокристаллов методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (APRES)».
По словам Морозова, метод APRES в умелых руках оказался чрезвычайно эффективным экспериментальным подходом к изучению электронного строения сверхпроводников. «Нам безусловно, повезло, что в IFW эффективно работает талантливый исследователь, специалист в области фотоэлектронной эмиссии с угловым разрешением, Сергей Борисенко. Именно он был инициатором этой работы», — отметил Морозов. Оказалось, что из всех разнообразных семейств Fe-ВТСП именно LiFeAs является практически идеальным объектом для исследования методом ARPES. На монокристаллах высокого качества удается получить очень подробную достоверную информацию об электронном строении вблизи уровня Ферми. Именно детальное изучение электронного строения LiFeAs позволило обнаружить и доказать наличие спин-орбитального взаимодействия.
Сегодня с помощью этого метода ученым удалось проанализировать все основные семейства Fe-ВТСП. И везде они наблюдали значительное спин-орбитальное расщепление атомных спектров. Ученые также показали, что в области низких энергий это расщепление влияет на электронную структуру сверхпроводников сильнее, чем нематичность, которая в настоящее время рассматривается как одна из решающих причин формирования сверхпроводимости.
Полученные экспериментальные результаты, позволят теоретикам сделать существенный шаг вперед в понимании природы сверхпроводимости в железосодержащих сверхпроводниках, что в конечном счете поможет эффективному использованию этих новых материалов на практике.
«В плане практического применения у этих сверхпроводников безусловно есть интересные перспективы, – утверждает Морозов. Несмотря на то, что по температуре перехода в сверхпроводящее состояние железосодержащие сверхпроводники уступают медьсодержащим, по ряду показателей (например, по величинам плотности критического тока и магнитного поля, меньшей анизотропии сверхпроводящих свойств) эти материалы могут превзойти имеющиеся аналоги. Так, они могут оказаться перспективными при создании легких и мощных электромоторов, сверхпроводящих интерференционных устройств (СКВИД) высокой чувствительности, магнитных томографов, динамических синхротронных токоприемников, фильтров для беспроводной связи. Важно также подчеркнуть, что Fe-ВТСП более технологичны, чем медные (Cu-ВТСП) (в частности, у них меньше коэффициент анизотропии), что позволяет применить технологии, которые к настоящему времени разработаны для Cu-ВТСП и получать как объемные кабели, так и проводники в виде лент. Кроме того, потенциал Fe-ВТСП далеко не исчерпан: например, недавно появились публикации о достижении для пленок FeSe температуры 100 К, что превышает «азотный барьер» (температура плавления азота – 77 К)».