Научные достижения химического факультета
24.07.2023

Химики МГУ представили новое семейство висмутовых аналогов железосодержащих сверхпроводников

Сотрудники кафедр неорганической и физической химии Химического факультета МГУ синтезировали и изучили совместно с коллегами соединения ранее неизвестного семейства слоистых электрон-дефицитных висмутидов – аналогов железосодержащих сверхпроводников. Изучение данного семейства представляет фундаментальный интерес в области химии твердого тела, а структурные особенности и проведенный расчет электронного строения предполагают наличие интересных физических свойств. Работа опубликована в специальном выпуске журнала Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, посвященном 100-летию со дня рождения Рудольфа Хоппе – одного из основателей химии твердого тела в Европе.

Сверхпроводники находят большое количество применений и активно исследуются благодаря уникальной способности передавать электричество без потерь. Это возможно вследствие достижения нуля сопротивления при температуре и силе тока ниже критических. В поисках сверхпроводников с высокими эксплуатационными характеристиками, а также сочетающих сверхпроводимость с другими функциональными свойствами физики и химики изучают соединения различного состава и строения.

Такие исследования относятся к приоритетным, так как могут серьёзно повлиять на промышленность, прогресс и качество жизни. Поэтому данная работа входит в проект "Развитие синхротронных и нейтронных исследований и инфраструктуры для материалов энергетики нового поколения и безопасного захоронения радиоактивных отходов", поддержанный Министерством науки и высшего образования Российской Федерации грантом № 075-15-2021-1353 в рамках нацроекта "Наука и университеты".

"Идея синтезировать и исследовать соединения висмута состава 122, содержащие щелочной и переходный металлы, родилась в связи с открытием в 2008 году сверхпроводимости в имеющих аналогичное строение железосодержащих соединениях мышьяка, – пояснил соавтор работы, д.х.н., профессор Игорь Морозов. – Особый интерес к этим нетрадиционным сверхпроводникам связан с тем, что механизм сверхпроводимости в них не удается описать в рамках уже существующих моделей. Известны тысячи соединений с таким кристаллическим строением, но до настоящего времени среди них был известен только один висмутид. Однако такие соединения очень интересны, поскольку замена мышьяка на висмут может привести к появлению новых свойств, связанных с характерным для висмута сильным спин-орбитальным взаимодействием".

Авторам удалось вырастить монокристаллы четырех ранее неизвестных слоистых висмутидов семейства 122 общей формулы ATM₂Bi₂, где A – щелочной металл (калий, рубидий, цезий), TM – переходный металл (цинк, кадмий), из висмутового расплава в ходе его медленного охлаждения. Основные экспериментальные трудности при получении соединений были связаны с щелочными металлами: приготовление реакционных смесей проводилось в перчаточном боксе в атмосфере сухого аргона, что осложняет даже простые операции. Присутствие щелочных металлов также способствует бурному взаимодействию реагентов, которое может начаться непосредственно в ходе приготовления реакционной смеси.

"Сложной задачей оказалось определение кристаллической структуры полученных соединений, – рассказал Игорь Морозов. – Они чрезвычайно гигроскопичны и склонны к расслаиванию, в результате чего даже при минимальном механическом воздействии нарушается упорядочение слоев и происходит потеря монокристалличности. Нам удалось решить эту нетривиальную задачу и установить структуру рубидиево-кадмиевого соединения традиционным методом монокристального рентгеноструктурного анализа".

Структурное исследование показало, что слоистые висмутиды проявляют интересную особенность: при переходе от производных цинка к производным кадмия происходит существенное сближение слоев, в результате которого атомы висмута из соседних слоев начинают взаимодействовать между собой. Еще одна особенность состоит в отклонении количества валентных электронов, приходящихся на элементарную ячейку, от обычного значения в меньшую сторону. Вероятно, эти особенности проявятся в интересных физических свойствах данных соединений.

"В настоящее время пока не были реализованы все возможные сочетания щелочного и переходного металлов, – объяснил Игорь Морозов. – Необходимо синтезировать оставшиеся члены семейства и изучить для всех полученных соединений магнитные и транспортные свойства. Также идет подготовка публикации, в которой будут представлены данные по их электронному строению и физическим свойствам".

Автор текста: Алина Сагитова/пресс-служба химического факультета МГУ

Фото: Ксения Лиокумович, Юлия Чернова/пресс-служба химического факультета МГУ