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»

    Новый проект по созданию Российского центра сильных магнитных полей с достижением магнитной индукции до 100 Тл предложен учеными Физического института им. П.Н. Лебедева РАН совместно со специалистами из Массачусетского института технологий (США). В случае принятия к реализации данный проект поднимет научный престиж России в области исследований в сверхсильных магнитных полях на первое место в мире. Руководитель проекта с российской стороны, Пудалов Владимир Моисеевич, доктор физико-математических наук, заведующий отделом высокотемпературной сверхпроводимости и наноструктур ФИАН, рассказал о его перспективах в беседе с корреспондентом «ФИАН-Информ».

    Исследования в сильных магнитных полях издавна привлекают ученых всего мира возможностью глубже понять молекулярные и атомные свойства вещества. Магнитные поля действуют на элементарные магнитные моменты электронов или ядер, позволяя изучать их отклик в широком диапазоне частот. Хорошо известный пример – медицинские магнитно-резонансные томографы – работают с полями в единицы Тесла. Чем сильнее магнитное поле, тем более ценную информацию можно получить из магнитных измерений. Хорошо понимая это, Петр Капица еще в 20-е годы прошлого века, работая у Эрнеста Резерфорда в Кембридже, создавал рекордные по тем временам поля до 32 Тл, но длительностью всего лишь в сотую долю секунды. В 1930-х годах получением сверхсильных магнитных полей занимался американский физик Фрэнсис Биттер, который смог создать не импульсные, а стационарные поля до 10 Тл с помощью изобретенных им медных электромагнитов специальной конструкции, которые с тех пор называются «Биттеровскими». Лаборатория в Массачусетском институте технологий (MIT) в Бостоне, в которой он работал, стала впоследствии называться его именем и до сих пор является мировым центром, где разрабатываются сверхсильные магниты.

    На сегодняшний день в мире существует только три специализированных центра, в которых получают сильные магнитные поля с магнитной индукцией около 40 Тл. Это Лабораториии сверхсильных полей в Талахасси (США), в Гренобле (Франция) и Наймегене (Нидерланды). Такие магнитные установки сопоставимы по масштабам с крупными заводскими корпусами, являются крайне дорогостоящими, энергоемкими, и функционируют как центры коллективного пользования, в которые могут приехать исследователи из разных стран и провести там свои эксперименты. В России же сейчас максимальное стационарное поле, доступное для исследователей, составляет 21 Тл; такой сверхпроводящий магнит функционирует в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН, также в режиме коллективного пользования.

    Специалисты из России имеют возможность провести свои исследования в этих зарубежных центрах, однако существует ряд ограничений, сильно затрудняющих работу и, тем более, дальнейшее практическое использование результатов таких исследований именно в России. Поэтому наличие собственного центра сверхсильных магнитных полей – это не только проблема проведения актуальных научных исследований на передовом уровне, но и вопрос престижа страны и демонстрации ее технологического уровня.

На фото: Пудалов В.М., доктор физико-математических наук, заведующий отделом высокотемпературной сверхпроводимости и наноструктур Физического института им. П. Н. Лебедева РАН

    Недавно специалистами из MIT (США) совместно со специалистами из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН разработан проект создания серии источников магнитных полей на основе только сверхпроводниковых материалов, с индукцией до 100 Тл, что в 2,5 раза выше существующих рекордных полей. Реализация данного проекта рассчитана на 10 лет и предполагает строительство для 100 Тл магнита отдельного здания, высотой 20 метров. Однако уже через 3…5 лет может быть создан первый, самый «маленький» из этих магнитов – в 40 Тл. Несмотря на свои миниатюрные лабораторные размеры, около 60 см в диаметре, данный магнит сразу выводит Россию на один уровень с тремя подобными мировыми центрами и открывает широкие перспективы развития российских технологий. В России очень много талантливых ученых и гениальных теоретических разработок, которым нужна экспериментальная база.

    Пудалов Владимир Моисеевич: «Если посмотреть на список Нобелевских премий, то очень большое количество из них было получено благодаря тому, что ученые имели доступ к сильным магнитным полям. Даже если в названии Нобелевской премии в области физики не звучит понятие «сильные магнитные поля» или «сверхпроводимость», то стоит посмотреть поглубже, и оказывается, что за этим в большинстве случаев стоят эксперименты, сделанные в сильных магнитных полях. Если у нас в России будет доступ к источнику сильных магнитных полей в 40 Тл и, впоследствии, в 100 Тл – это откроет нам дверь в будущее».

    Строящаяся в настоящий момент Лаборатория высокотемпературной сверхпроводимости и сверхпроводниковых наноструктур, располагает всей необходимой технической базой для реализации на своей территории данного уникального проекта. Лаборатория будет расположена в одном из корпусов ФИАН, в котором сейчас ведутся серьезные работы по реконструкции. Вдохновитель Лаборатории, выдающийся российский физик Виталий Лазаревич Гинзбург, всю жизнь посвятил исследованиям «сверхпроводимости» и мечтал о красивом и естественном применении сверхпроводников. К сожалению, революционная идея такого применения для создания источника сильных магнитных полей возникла уже после его ухода из жизни. Основой идеи стали разработки новых сверхпроводников, способных работать в более сильных магнитных полях. 

    Для изготовления самого магнита потребуется большое количество специальной ленты из прочного и сверхпроводящего материала, производство которой уже сейчас возможно в России. Таким образом, весь проект может быть осуществлен целиком с помощью российских технологий и материалов. А параллельно проводимые в ФИАН исследования направлены на разработку новых, еще более совершенных сверхпроводниковых материалов, приближая осуществление мечты В.Л. Гинзбурга и упрощая создание сверхсильных магнитов.

    Какие потрясающие открытия последуют из экспериментов в настолько сильных магнитных полях, в 100 Тл – невозможно пока даже представить. Этот проект может стать ключевым событием в развитии современной физики и подарить России ультрасовременные технологии, которые выведут нас на принципиально новый экономический уровень в мире.

Е. Барчугова, АНИ «ФИАН-Информ»

30.05.2013