Сотрудники Физического института Академии наук (ФИАН), института физики твердого тела (ИФТТ) РАН, химического факультета МГУ и института Лейбница твердого тела и материаловедения (Дрезден) синтезировали и изучили 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 серьезно 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 грантом Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках нацпроекта «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. Особый интерес к этим нетрадиционным сверхпроводникам связан с тем, что механизм сверхпроводимости в них не удается описать в рамках уже существующих моделей. Замена мышьяка на висмут в изучаемых соединениях может привести к появлению новых свойств, связанных с характерным для висмута сильным спин-орбитальным взаимодействием», – пояснил соавтор работы, профессор кафедры неорганической химии химического факультета МГУ Игорь Морозов.

Авторам удалось вырастить монокристаллы четырех ранее неизвестных слоистых висмутидов семейства 122 общей формулы ATM₂Bi₂ (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. 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», – сообщил Игорь Морозов.

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 необычных физических свойствах данных соединений.

«В настоящее время пока не были реализованы все возможные сочетания щелочного и переходного металлов. 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», – объяснил Игорь Морозов.

Источник: МГУ