В Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) синтезированы кристаллы новых сверхпроводящих соединений на основе железа, легированных никелем и кобальтом. По своим параметрам материалы не уступают лучшим зарубежным FeAs-образцам и имеют большие перспективы в технологии сверхсильных магнитных полей и сильноточных применениях в технике.
Класс высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), к которому относится «новичок», был открыт в 2008 году. Речь идёт о слоистых материалах на основе железа и пниктидов (элементов V группы таблицы Менделеева: азота, фосфора, мышьяка и т.д.) или халькогенидов (элементов главной подгруппы VI группы: кислорода, серы, селена, теллура, полония). Эти соединения – ферропниктиды и халькогениды железа – состоят из чередующихся слоёв, в которых атомы железа окружены тетраэдром из атомов мышьяка, селена или другого элемента из соответствующих подгрупп. Открытие явления сверхпроводимости в железосодержащих материалах вызвало большое оживление в среде специалистов, так как, с одной стороны, мало кто ожидал обнаружить его в образцах, содержащих железо, а с другой – новые сверхпроводники продемонстрировали столь желанную учёными высокую температуру сверхпроводящего перехода. Таким образом, монополия купратов (медьсодержащих сверхпроводников), существовавшая в физике ВТСП-соединений более 25 лет, была разрушена.
На данный момент известны шесть семейств железосодержащих сверхпроводников. Новые соединения, выращенные в Отделе высокотемпературной сверхпроводимости ФИАН, относятся к семейству 122 – веществам, состоящим из бария, железа и мышьяка. Материалы этой группы исследуются в настоящее время очень активно: их изготовление проще, чем синтез их «собратьев» из других семейств (например, соединений-1111, состоящих из гадолиния, мышьяка, железа и кислорода), и при этом данные материалы отличаются интересными свойствами. Поясняет руководитель группы, ведущий научный сотрудник лаборатории, канд. ф.-м. наук Юрий Фёдорович Ельцев:
«Во-первых, хотя это семейство интенсивно изучается, по-прежнему до конца не ясен механизм спаривания электронов. Во-вторых, в этих материалах высока температура сверхпроводящего перехода, значения верхнего критического поля (магнитное поле, которое при данной температуре вызывает переход вещества из сверхпроводящего состояния в нормальное) и плотности критического тока».
Так, в образцах, синтезированных в лаборатории сверхпроводимости ФИАН, значения верхнего критического поля приближаются к 100 Т, температура перехода достигает 21 К, а критическая плотность тока при низких температурах (порядка 4,2 К) в магнитном поле 10 Т превышает 106 А/см2, превосходя таким образом плотности тока в купратных сверхпроводниках, по-прежнему доминирующих в сфере ВТСП. По указанным параметрам новые соединения могут конкурировать с лучшими зарубежными аналогами в классе FeAs-материалов и являются перспективными кандидатами для практического использования – прежде всего, при создании магнитов со сверхсильными полями.
С момента открытия пниктидов прошло пять лет, т.е. совсем немного по меркам индустрии ВТСП-материалов (как правило, сверхпроводник начинают использовать в производстве лишь спустя 15–20 лет после открытия). Учёные рассчитывают, что через сравнимое время пниктиды смогут выйти на практический уровень. Прецедент уже был: диборид магния (MgB2), открытый в 2001 году, прошёл путь от лаборатории до коммерческого применения менее чем за 10 лет. Это получилось за счёт сравнительной простоты химического соединения и особенностей материала, которые позволяют довольно легко и без значительных затрат получить высокие значения критического тока. На этом фоне перспективы ферропниктидов также весьма оптимистичны.
Ю.Ф. Ельцев: «В плане собственных свойств пниктиды ближе к дибориду магния, чем к купратам, так что реализация, возможно, будет несколько проще. К тому же материалы, входящие в их состав, сами по себе несколько дешевле, чем в купратах. Вот почему мы и стали им заниматься: здесь существует перспектива и, что немаловажно, в этом направлении мы не очень сильно отстали от Запада. Если в купратах заметен «провал», диборидом магния в России почти никто не занимался, то в пниктидах, например, по нашим публикациям, отставание составляет максимум года полтора, то есть вполне преодолимо».
Ещё одним достижением лаборатории сверхпроводимости ФИАН в 2012 году стало изготовление коротких образцов проводов на основе селенида железа (FeSe) в стальной оболочке. Работа, не имеющая аналогов в России, была выполнена совместно с Институтом физики высоких давлений РАН. Селенид железа хорошо изучен, температура сверхпроводящего перехода в нём не очень высока (составляет 10 К) и сам он, по мнению физиков, едва ли будет применяться в производстве, однако это исследование очень полезно с точки зрения отработки технологии. В дальнейшем планируется таким же образом изготовить короткие образцы проводов (речь идёт об опытных прототипах длиной в несколько сантиметров) уже с использованием новых сверхпроводников из семейства 122.
О. Овчинникова, АНИ «ФИАН-Информ»
