Оксиды палладия могут стать лучшими сверхпроводниками

May 27, 2023

Палладаты – оксидные материалы на основе элемента палладия – могут быть использованы для изготовления сверхпроводников, которые работают при более высоких температурах, чем купраты (оксиды меди) или никелаты (оксиды никеля), согласно расчетам исследователей из Университета Хиого, Япония, TU Wien и коллеги. Новое исследование также идентифицирует два таких палладата как «практически оптимальные» с точки зрения двух свойств, важных для высокотемпературных сверхпроводников: силы корреляции и пространственных флуктуаций электронов в материале.

Сверхпроводники — это материалы, которые проводят электричество без сопротивления при охлаждении до температуры ниже определенной температуры перехода Tc. Первым сверхпроводником, открытым в 1911 году, была твердая ртуть, но температура ее перехода всего на несколько градусов выше абсолютного нуля, а это означает, что для поддержания ее в сверхпроводящей фазе требуется дорогой жидкий гелиевый охладитель. Вскоре после этого были открыты несколько других «обычных» сверхпроводников, как они известны, но все они имеют столь же низкие значения Tc.

Однако с конца 1980-х годов появился новый класс «высокотемпературных» сверхпроводников с Tc выше температуры кипения жидкого азота (77 К). Эти «нетрадиционные» сверхпроводники представляют собой не металлы, а изоляторы, содержащие оксиды меди (купраты), и их существование предполагает, что сверхпроводимость может сохраняться даже при более высоких температурах. Недавно исследователи определили, что материалы на основе оксидов никеля являются хорошими высокотемпературными сверхпроводниками в том же духе, что и их собратья из купратов.

Основная цель этого исследования — найти материалы, которые остаются сверхпроводящими даже при комнатной температуре. Такие материалы значительно повысят эффективность электрических генераторов и линий электропередачи, а также сделают распространенные применения сверхпроводимости (включая сверхпроводящие магниты в ускорителях частиц и медицинских устройствах, таких как сканеры МРТ) более простыми и дешевыми.

Классическая теория сверхпроводимости (известная как теория БКШ по инициалам ее первооткрывателей — Бардина, Купера и Шриффера) объясняет, почему ртуть и большинство металлических элементов являются сверхпроводящими при температуре ниже их Tc: их фермионные электроны объединяются, образуя бозоны, называемые куперовскими парами. Эти бозоны образуют фазово-когерентный конденсат, который может протекать через материал как сверхток, не испытывающий рассеяния, и в результате возникает сверхпроводимость. Однако теория терпит неудачу, когда дело доходит до объяснения механизмов, лежащих в основе высокотемпературных сверхпроводников. Действительно, нетрадиционная сверхпроводимость является фундаментальной нерешенной проблемой физики конденсированного состояния.

Чтобы лучше понять эти материалы, исследователям необходимо знать, как коррелируют электроны этих 3d-переходных металлов и насколько сильно они взаимодействуют друг с другом. Эффекты пространственных флуктуаций (которые усиливаются тем фактом, что эти оксиды обычно изготавливаются в виде двумерных или тонкопленочных материалов) также важны. Хотя для описания таких флуктуаций можно использовать такие методы, как диаграмматические возмущения Фейнмана, они не справляются с задачей уловить корреляционные эффекты, такие как переход металл-изолятор (Мотта), который является одним из краеугольных камней высокотемпературной сверхпроводимости.

Именно здесь вступает в свои права модель, известная как динамическая теория среднего поля (DMFT). В новой работе исследователи под руководством Карстена Хелда, физика твердого тела Венского технического университета, использовали так называемые диаграммные расширения DMFT для изучения сверхпроводящего поведения нескольких палладатных соединений.

Купратные сверхпроводники содержат странный компонент

Расчеты, подробно описанные в Physical Review Letters, показывают, что взаимодействие между электронами должно быть сильным, но не слишком сильным, чтобы достичь высоких температур перехода. Ни купраты, ни никелаты не близки к этому оптимальному взаимодействию среднего типа, в отличие от палладатов. «Палладий находится на одну строчку ниже никеля в периодической таблице», — отмечает Хелд. «Свойства схожи, но электроны там в среднем находятся несколько дальше от атомного ядра и друг от друга, поэтому электронное взаимодействие слабее».