КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-72-10082
НазваниеКомплексное определение структуры сверхпроводящего параметра порядка в пниктидах и селенидах щелочных металлов
РуководительКузьмичева Татьяна Евгеньевна, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им.П.Н.Лебедева Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2025 |
Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-209 - Низкие температуры и сверхпроводимость
Ключевые словаВысокотемпературная сверхпроводимость, многощелевая сверхпроводимость, железосодержащие сверхпроводники, туннельная спектроскопия, многократные андреевские отражения, инфракрасная спектроскопия отражения, магнитотранспортные характеристики, теплоемкость, второе критическое поле, синтез, монокристаллы
Код ГРНТИ29.19.29
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект посвящен масштабному комплексному исследованию свойств железосодержащих сверхпроводников на основе щелочных металлов NaFeAs (так называемое семейство 111) и AFe2Se2 (A – щелочной металл, семейство 122-Se). Благодаря взаимодействию сверхпроводящей, магнитной и нематической подсистем и близости перехода Лифшица эти малоизученные соединения демонстрируют нетривиальные свойства и представляются самыми экзотическими среди всех неклассических сверхпроводников. В отличие от большинства железосодержащих сверхпроводников, представители данных семейств сверхпроводят в стехиометрическом составе. Вариация степени допирования или приложение давления приводят к изменению критической температуры Тс, что позволяет исследовать эволюцию сверхпроводящих свойств вдоль фазовой диаграммы.
Однако, наличие щелочных металлов в структуре вызывает быструю деградацию этих кристаллов в присутствии кислорода и даже следовых количеств паров воды, что значительно затрудняет работу с этими сверхпроводниковыми материалами. Процесс подготовки образца и проведение эксперимента необходимо проводить в защитной атмосфере. Селениды семейства 122-Se также обладают естественным фазовым расслоением: большую часть объема занимает антиферромагнитная фаза A2Fe4Se5 со сверхрешеткой вакансий железа; на границах этой фазы образуется стехиометрическая сверхпроводящая фаза AFe2Se2, свойства которой определяются не только допированием, но и химическим давлением и структурными параметрами.
Сложность работы с подобными кристаллами и неприменимость многих методов исследования обусловливают на данный момент крайне немногочисленные и разрозненные экспериментальные данные о свойствах пниктидов и селенидов щелочных металлов. Предлагаемый проект уникален и не имеет мировых аналогов. Для проведения исследований будут синтезированы крупные высококачественные монокристаллы указанных сверхпроводников.
Основная задача проекта заключается в определении структуры и температурной зависимости сверхпроводящих параметров порядка данных соединений двумя методами спектроскопии высокого разрешения: туннельной спектроскопии механически регулируемых планарных контактов на микротрещине "break-junction" (прямой локальных метод) и инфракрасной Фурье-спектроскопии отражения (прямой поверхностный метод). Дополнительно величина и симметрия параметров порядка будет оценена из аппроксимации температурной зависимости электронной теплоемкости (объемный метод) в рамках двухщелевых моделей. Вторым направлением работы является измерение транспортных, магнитных и магнитотранспортных характеристик в широком диапазоне температур от 0.1 К, магнитных полей до 16 Тл и приложенных гидростатических давлений до 2 ГПа с целью оценки второго критического поля и построения соответствующих фазовых диаграмм. Эксперименты будут проведены на монокристаллах с вариацией состава для определения эволюции сверхпроводящих, транспортных, магнитных и термодинамических характеристик вдоль фазовой диаграммы.
Участники проекта имеют обширный научный задел (в том числе по исследованию железосодержащих сверхпроводников родственных семейств) и опыт подобных комплексных исследований. В состав коллектива входят исследователи, обладающие опытом преподавательской деятельности и представления результатов на международных конференциях, а также активные молодые участники. Предлагаемые в проекте методы обладают высоким разрешением и гарантированно применимы к исследуемым образцам пниктидов и селенидов семейств 111 и 122-Se. Ожидаемые результаты будут соответствовать мировому уровню и могут быть использованы для установления фундаментальных закономерностей свойств пниктидов и селенидов железа, влияния магнетизма на сверхпроводящую подсистему, а также при разработке и улучшении теоретических моделей описания механизмов неклассической сверхпроводимости. Подобные исследования имеют не только фундаментальное значение, но и позволят в будущем создавать новые материалы с возможностью их индивидуальной настройки для решения прикладных задач (к примеру, создания сверхмощных соленоидов).
Ожидаемые результаты
1. Синтезированы и охарактеризованы крупные монокристаллы железосодержащих сверхпроводников семейств NaFeAs, KFe2Se2 и RbFe2Se2 с вариацией степени замещения, а также новых сверхпроводников на основе щелочных металлов.
2. Измерены транспортные, магнитные и магнитотранспортные характеристики полученных монокристаллов в широком диапазоне температур 0.1-300 К, магнитных полей до 16 Тл и гидростатических давлений до 2 ГПа. Получена температурная зависимость верхнего критического поля Нс2(Т) вблизи Тс, с помощью однозонных и многозонных моделей оценена величина Нс2(0). Получена температурная зависимость электронной теплоемкости, определена величина скачка при Тс, с помощью двухзонных моделей оценены величины и симметрия сверхпроводящих параметров порядка.
3. Методами туннельной спектроскопии и инфракрасной Фурье-спектроскопии отражения определены основные энергетические параметры сверхпроводящего состояния полученных сверхпроводников: количество, величины, характеристические отношения и температурные зависимости сверхпроводящих щелей, а также характерных бозонных мод в случае их обнаружения. Оценен тип симметрии сверхпроводящего параметра порядка, парциальные проводимости зон, сила внутризонного и межзонного взаимодействия в кристаллах с вариацией состава.
4. Проведено сравнение данных, полученных на монокристаллах из одной закладки различными методами. Определена эволюция сверхпроводящих свойств при изменении состава, сделаны выводы о характере сверхпроводимости и влиянии допирования и магнитной подсистемы на сверхпроводящие свойства.
Ожидаемые результаты будут соответствовать мировому уровню. Предлагаемое комплексное исследование даст возможность провести сравнение данных, полученных разными методами (объемными, поверхностными и локальными), для проверки их согласованности и получения наиболее полной картины свойств исследуемых соединений. Слабая анизотропия их транспортных и магнитных свойств, позволяет упростить и удешевить токонесущие изделия и покрытия на их основе. Определение эволюции полученных параметров позволит систематизировать свойства пниктидов и селенидов щелочных металлов и ответить на многие до сих пор нерешенные вопросы, касающиеся механизмов высокотемпературной сверхпроводимости и поиска путей оптимизации сверхпроводящих свойств для широкого спектра прикладных задач.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Соединение Na(Fe,Co)As относится к так называемому структурному семейству 111 железосодержащих сверхпроводников (СП) и демонстрирует ряд уникальных свойств, нехарактерных для других семейств. В стехиометрическом составе NaFeAs сверхпроводит при относительно небольшой Тс = 10 К; при введении атомов кобальта, осуществляющих электронное допирование, Тс растет до 22-23 К в области оптимального допирования, затем падает. Одновременно с увеличением концентрации кобальта в Na(Fe,Co)As подавляется антиферромагнетизм и нематичность.
Наличие щелочного металла в структуре делает это соединение крайне неустойчивым в присутствии даже следовых количеств паров воды и кислорода: при нахождении на открытом воздухе СП свойства Na(Fe,Co)As деградируют, и за 10-15 минут в соединении полностью пропадает сверхпроводимость. Поэтому все эксперименты с Na(Fe,Co)As необходимо проводить в защитной атмосфере инертного газа. Поскольку не все популярные экспериментальные методы применимы к подобным образцам, на данный момент количество экспериментальных данных о свойствах Na(Fe,Co)As крайне мало.
Мы вырастили крупные монокристаллы Na(Fe,Co)As недодопированного (НД) и передопированного (ПД) состава с 2.1% и 4.5% Co, соответственно. Сравнение свойств одного и того же соединения НД и ПД составов с близкими Тс ≈ 21 К позволило оценить влияние магнетизма и нематичности на СП свойства. Характеризация кристаллов показала высокую степень однородности и однофазность. Впервые были получены изображения атомарной структуры методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения и обнаружены планарные дефекты со структурой NaFe2As2.
Целью проекты являлось исследование одних и тех же кристаллов различными методами (объемными, поверхностными и локальными), сравнение и обобщение полученных результатов. Магнитотранспортные измерения в полях до 16 Тл позволили получить температурную зависимость верхнего критического поля Нс2(Т) вблизи Тс. С помощью однозонных и двухзонных моделей мы оценили величину Нс2(0), составляющую до 70 Тл. С помощью измерения петель намагничивания М(Н) получены полевые зависимости плотности критического тока и оценено ее нулевое значение Jc(0) ≈ 10^6 А/см^2. Путем калориметрических измерений была оценена температурная зависимость электронной теплоемкости C_el(T), определена величина ее скачка при Тс (1.5-2), оценены характеристические отношения СП параметров порядка и их тип симметрии.
С помощью спектроскопии эффекта многократных андреевских отражений SnS-контактов с некогерентным транспортом определена щелевая структура Na(Fe,Co)As и ее эволюция вдоль фазовой диаграммы допирования. Ниже Тс мы установили многощелевую сверхпроводимость и обнаружили три энергетических СП параметра порядка: предположительные экстремумы большой СП щели Delta_L, анизотропной в импульсном пространстве, и малую СП щель Delta_S. Под «экстремумами» подразумеваются минимальная и максимальная энергия связи куперовских пар в зависимости от направления импульса. Мы напрямую определили важнейший параметр сверхпроводника, отвечающий за силу связи в СП конденсате, - характеристическое отношение 2Delta(0)/kTc (k – постоянная Больцмана). Для большой СП щели диапазон характеристических отношений составил 4-6 в Na(Fe,Co)As НД составов и 5-6 в ПД составах; диапазоны соответствуют средней степени предположительной анизотропии 35% и 25%, соответственно. Для малой СП щели характеристическое отношение с увеличением концентрации кобальта увеличивается с 1.8 до 2.8, оставаясь ниже БКШ-предела слабой связи 3.5, что характерно для «слабого» СП конденсата в многощелевом сверхпроводнике. Напрямую измеренные температурные зависимости СП щелей характерны для умеренного (в НД составе) и сильного (в ПД составе) межзонного взаимодействия по сравнению с внутризонным. Очевидно, что ослабление предположительной анизотропии большой СП щели связано с удалением от магнитной фазы при увеличении степени электронного допирования и ослаблении влияния спиновых флуктуаций на СП подсистему.
Мы показали, что щелевая структура, определенная туннельными методами, может быть использована для обработки данных других методов. Так, с помощью оцененных на основе формы температурных зависимостей Delta(T) констант связи lambda_ij оказалось возможно описать температурное поведение Нс2(Т), а использование полученных характеристических отношений позволяет воспроизвести температурную зависимость C_el(T).
Публикации
1. С.А. Кузьмичев, И.В. Морозов, А.И. Шилов, Е.О. Рахманов, Т.Е. Кузьмичева Спектроскопия эффекта многократных андреевских отражений в монокристаллах NaFe1-xCoxAs недодопированного состава Письма в ЖЭТФ, 117, 8, 614-619 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S1234567823080098