Кристаллическая структура LnFeAsOF, ферропниктидного соединения типа 1111. Ln = лантаноид (La, Ce, Yb, Nd, Gd, Sm и т. д.), Pn = пниктид (As, P, N, Bi и т. д.) [1]
Сверхпроводники на основе железа ( FeSC ) представляют собой содержащие железо химические соединения, сверхпроводящие свойства которых были открыты в 2006 году. [2] [3]
В 2008 году, во главе с недавно открытыми соединениями пниктида железа (первоначально известными как оксипниктиды ), они находились на первых стадиях экспериментов и внедрения. [4] (Ранее большинство высокотемпературных сверхпроводников были купратами и основывались на слоях меди и кислорода, расположенных между другими веществами (La, Ba, Hg)).
Этот новый тип сверхпроводников основан на проводящих слоях железа и пниктида ( химические элементы 15-й группы периодической таблицы , в данном случае это, как правило, мышьяк (As) и фосфор (P)) и, по-видимому, является многообещающим в качестве следующего поколения высокотемпературных сверхпроводников. [5]
Большой интерес обусловлен тем, что новые соединения сильно отличаются от купратов и могут помочь в разработке теории сверхпроводимости, не соответствующей теории БКШ .
Совсем недавно их стали называть ферропниктидами . Первые обнаруженные соединения относятся к группе оксипниктидов . Некоторые из этих соединений известны с 1995 года [6]
, а их полупроводниковые свойства известны и запатентованы с 2006 года. [7]
Также было обнаружено, что некоторые халькогены железа обладают сверхпроводимостью. [8] Нелегированный β -FeSe является простейшим сверхпроводником на основе железа, но с разнообразными свойствами. [9] Он имеет критическую температуру ( Tc ) 8 К при нормальном давлении и 36,7 К при высоком давлении [10] и посредством интеркаляции. Сочетание интеркаляции и более высокого давления приводит к повторному возникновению сверхпроводимости при Tc до 48 К (см. [9] [11] и ссылки в них). Подгруппа сверхпроводников на основе железа со свойствами, аналогичными оксипниктидам, известная как 122 арсениды железа , привлекла внимание в 2008 году из-за относительной простоты их синтеза.
Оксипниктиды , такие как LaOFeAs, часто называют пниктидами «1111».
Кристаллический материал, известный химически как LaOFeAs, складывает слои железа и мышьяка, где текут электроны, между плоскостями лантана и кислорода . Замена до 11 процентов кислорода фтором улучшила соединение — оно стало сверхпроводящим при 26 кельвинах , сообщает команда в журнале Американского химического общества от 19 марта 2008 года. Последующие исследования других групп показывают, что замена лантана в LaOFeAs другими редкоземельными элементами, такими как церий , самарий , неодим и празеодим, приводит к сверхпроводникам, которые работают при 52 кельвинах. [5]
Сверхпроводники пниктид железа кристаллизуются в слоистую структуру [FeAs], чередующуюся с разделителем или блоком зарядового резервуара. [12]
Таким образом, соединения можно классифицировать в систему "1111" RFeAsO (R: редкоземельный элемент), включая LaFeAsO, [3] SmFeAsO, [14] PrFeAsO, [22] и т. д.; BaFe 2 As 2 типа "122" , [23] SrFe 2 As 2 [35] или CaFe 2 As 2 ; [24] LiFeAs типа "111", [27] [28] [29] NaFeAs, [30] [31] [36] и LiFeP. [37] Легирование или приложенное давление преобразуют соединения в сверхпроводники. [12] [38] [39]
Такие соединения, как Sr 2 ScFePO 3 , обнаруженные в 2009 году, называются семейством «42622», как FePSr 2 ScO 3 . [40] Примечателен синтез (Ca 4 Al 2 O 6−y )(Fe 2 Pn 2 ) (или Al-42622(Pn); Pn = As и P) с использованием техники синтеза под высоким давлением. Al-42622(Pn) проявляют сверхпроводимость как для Pn = As, так и для P с температурами перехода 28,3 К и 17,1 К соответственно. Параметры a-решетки Al-42622(Pn) (a = 3,713 Å и 3,692 Å для Pn = As и P соответственно) являются наименьшими среди железо-пниктидных сверхпроводников. Соответственно, Al-42622(As) имеет наименьший угол связи As–Fe–As (102,1°) и наибольшее расстояние As от плоскостей Fe (1,5 Å). [19] Техника высокого давления также дает (Ca 3 Al 2 O 5−y )(Fe 2 Pn 2 ) (Pn = As и P), первые описанные сверхпроводники на основе железа со структурой на основе перовскита «32522». Температура перехода (T c ) составляет 30,2 К для Pn = As и 16,6 К для Pn = P. Возникновение сверхпроводимости приписывается малой постоянной решетки тетрагональной оси a этих материалов. Из этих результатов была установлена эмпирическая связь между постоянной решетки оси a и T c в сверхпроводниках на основе железа. [18]
В 2009 году было показано, что нелегированные пниктиды железа имеют магнитную квантовую критическую точку, возникающую из-за конкуренции между электронной локализацией и блуждающей энергией. [41]
Фазовая диаграмма семейства ферро-пниктидов 122, дополненная семейством 122(Se) в качестве обобщенной фазовой диаграммы для сверхпроводников на основе железа. [42]
Фазовые диаграммы
Подобно сверхпроводящим купратам, свойства сверхпроводников на основе железа резко меняются при легировании. Родительские соединения FeSC обычно являются металлами (в отличие от купратов), но, подобно купратам, упорядочены антиферромагнитно , что часто называют волной спиновой плотности (SDW). Сверхпроводимость (SC) возникает либо при дырочном, либо при электронном легировании. В целом фазовая диаграмма похожа на купраты. [42]
Сверхпроводимость при высокой температуре
Упрощенные фазовые диаграммы, зависящие от легирования, сверхпроводников на основе железа для материалов Ln-1111 и Ba-122. Показанные фазы представляют собой антиферромагнитную/ волновую спиновую плотность (AF/SDW) фазу вблизи нулевого легирования и сверхпроводящую фазу вблизи оптимального легирования. Фазовые диаграммы Ln-1111 для La [43] и Sm [44] [45] были определены с помощью мюонной спиновой спектроскопии , фазовая диаграмма для Ce [46] была определена с помощью нейтронной дифракции . Фазовая диаграмма Ba-122 основана на. [47]
Температуры сверхпроводящего перехода указаны в таблицах (некоторые при высоком давлении). BaFe 1,8 Co 0,2 As 2 , как предсказано, имеет верхнее критическое поле 43 тесла на основе измеренной длины когерентности 2,8 нм. [21]
В 2011 году японские ученые сделали открытие, которое увеличило сверхпроводимость металлического соединения путем погружения соединений на основе железа в горячие алкогольные напитки, такие как красное вино. [48] [49] Более ранние отчеты показали, что избыток Fe является причиной биколлинеарного антиферромагнитного порядка и не способствует сверхпроводимости. Дальнейшие исследования показали, что слабая кислота обладает способностью деинтеркалировать избыток Fe из межслоевых участков. Таким образом, отжиг слабой кислотой подавляет антиферромагнитную корреляцию путем деинтеркалирования избытка Fe и, следовательно, достигается сверхпроводимость. [50] [51]
Критическая температура увеличивается еще больше в тонких пленках халькогенидов железа на подходящих подложках. В 2015 году в тонких пленках селенида железа, выращенных на титанате стронция , наблюдалась T c около 105–111 K. [53]
^ Хосоно, Х.; Танабэ, К.; Такаяма-Муромачи, Э.; Кагеяма, Х.; Яманака, С.; Кумакура, Х.; Нохара, М.; Хирамацу, Х.; Фудзитсу, С. (2015). «Исследование новых сверхпроводников и функциональных материалов, а также изготовление сверхпроводящих лент и проводов из пниктидов железа». Наука и технология передовых материалов . 16 (3): 033503. arXiv : 1505.02240 . Bibcode : 2015STAdM..16c3503H. doi : 10.1088/1468-6996/16/3/033503. PMC 5099821. PMID 27877784 .
^ Камихара, Йоичи; Хирамацу, Хиденори; Хирано, Масахиро; Кавамура, Рюто; Янаги, Хироши; Камия, Тошио; Хосоно, Хидео (2006). «Слоистый сверхпроводник на основе железа: LaOFeP». Дж. Ам. хим. Соц . 128 (31): 10012–10013 . doi :10.1021/ja063355c. ПМИД 16881620.
^ ab Kamihara, Yoichi; Watanabe, Takumi; Hirano, Masahiro; Hosono, Hideo (2008). "Слоистый сверхпроводник на основе железа La[O 1−x F x ]FeAs (x = 0,05–0,12) с T c = 26 K". Журнал Американского химического общества . 130 (11): 3296– 3297. doi :10.1021/ja800073m. PMID 18293989.
^ Озава, TC; Каузларих, SM (2008). «Химия слоистых пниктидных оксидов d-металлов и их потенциал в качестве кандидатов на роль новых сверхпроводников». Sci. Technol. Adv. Mater . 9 (3): 033003. arXiv : 0808.1158 . Bibcode : 2008STAdM...9c3003O. doi : 10.1088/1468-6996/9/3/033003. PMC 5099654. PMID 27877997 .
^ ab "Железо раскрыто как высокотемпературный сверхпроводник". Scientific American. Июнь 2008 г.
^ Циммер, Барбара И.; Ейчко, Вольфганг; Альберинг, Йорг Х.; Глаум, Роберт; Рихейс, Манфред (1995). «Скорость фосфидных оксидов переходных металлов LnFePO, LnRuPO и LnCoPO со структурой типа ZrCuSiAs». Журнал сплавов и соединений . 229 (2): 238– 242. doi :10.1016/0925-8388(95)01672-4.
^ Хосоно, Х. и др. (2006) Магнитный полупроводниковый материал Европейская патентная заявка EP1868215
^ Йоханнес, Мишель (2008). "Железный век сверхпроводимости". Физика . 1 : 28. Bibcode :2008PhyOJ...1...28J. doi : 10.1103/Physics.1.28 .
^ ab Ю. В. Пустовит; А. А. Кордюк (2016). "Метаморфозы электронной структуры сверхпроводников на основе FeSe (Обзорная статья)". Low Temp. Phys . 42 (11): 995– 1007. arXiv : 1608.07751 . Bibcode :2016LTP....42..995P. doi :10.1063/1.4969896. S2CID 119184569.
^ Медведев, С.; Маккуин, ТМ; Троян, ИА; Паласюк, Т.; Еремец, МИ ; Кава, Р.Дж.; Нагави, С.; Каспер, Ф.; Ксенофонтов, В.; Вортманн, Г.; Фельсер, К. (2009). "Электронная и магнитная фазовая диаграмма β -Fe 1.01 Se со сверхпроводимостью при 36,7 К под давлением". Nature Materials . 8 (8): 630– 633. arXiv : 0903.2143 . Bibcode :2009NatMa...8..630M. doi :10.1038/nmat2491. PMID 19525948. S2CID 117714394.
^ abcdef Исида, Кэндзи; Накаи, Юсукэ; Хосоно, Хидео (2009). «В какой степени были выяснены новые сверхпроводники на основе железа и пниктида: отчет о ходе работы». Журнал Физического общества Японии . 78 (6): 062001. arXiv : 0906.2045 . Bibcode : 2009JPSJ...78f2001I. doi : 10.1143/JPSJ.78.062001. S2CID 119295430.
^ Пракаш, Дж.; Сингх, С.Дж.; Самал, С.Л.; Патнаик, С.; Гангули, АК (2008). «Многозонный сверхпроводник LaOFeAs, легированный фторидом калия: свидетельство чрезвычайно высокого верхнего критического поля». EPL . 84 (5): 57003. Bibcode :2008EL.....8457003P. doi :10.1209/0295-5075/84/57003. S2CID 119254951.
^ ab Chen, XH; Wu, T.; Wu, G.; Liu, RH; Chen, H.; Fang, DF (2008). "Сверхпроводимость при 43 К в SmFeAsO 1–x F x ". Nature . 453 (7196): 761– 762. arXiv : 0803.3603 . Bibcode :2008Natur.453..761C. doi :10.1038/nature07045. PMID 18500328. S2CID 115842939.
^ Шираге, Парашарам М.; Миядзава, Киичи; Кито, Хиджири; Эйсаки, Хироши; Ийо, Акира (2008). «Сверхпроводимость при 43 К при нормальном давлении в слоистом соединении на основе железа La 1−x Y x FeAsO y ». Физический обзор B . 78 (17): 172503. Бибкод : 2008PhRvB..78q2503S. doi : 10.1103/PhysRevB.78.172503.
^ Ren, ZA; Yang, J.; Lu, W.; Yi, W.; Che, GC; Dong, XL; Sun, LL; Zhao, ZX (2008). "Сверхпроводимость при 52 К в слоистом четверном соединении на основе железа, легированном фтором Pr[O 1−x F x ]FeAs". Materials Research Innovations . 12 (3): 105– 106. arXiv : 0803.4283 . Bibcode :2008MatRI..12..105R. doi :10.1179/143307508X333686. S2CID 55488705.
^ аб Шираге, Парашарам М.; Кихо, Кунихиро; Ли, Чул-Хо; Кито, Хиджири; Эйсаки, Хироши; Ийо, Акира (2011). «Появление сверхпроводимости в структуре «32522» (Ca 3 Al 2 O 5-y ) (Fe 2 Pn 2 ) (Pn = As и P)». Журнал Американского химического общества . 133 (25): 9630– 3. doi :10.1021/ja110729m. ПМИД 21627302.
^ аб Шираге, Парашарам М.; Кихо, Кунихиро; Ли, Чул-Хо; Кито, Хиджири; Эйсаки, Хироши; Ийо, Акира (2010). «Сверхпроводимость при 28,3 и 17,1 К в (Ca 4 Al 2 O 6-y ) (Fe 2 Pn 2 ) (Pn=As и P)». Письма по прикладной физике . 97 (17): 172506. arXiv : 1008.2586 . Бибкод : 2010ApPhL..97q2506S. дои : 10.1063/1.3508957. S2CID 117899145.
^ Ян, Цзе; Ли, Чжэн-Цай; Лу, Вэй; Йи, Вэй; Шен, Сяо-Ли; Рен, Чжи-Ань; Че, Гуан-Цан; Донг, Сяо-Ли; Сунь, Ли-Лин; Чжоу, Фан; Чжао, Чжун-Сянь (2008). «Сверхпроводимость при 53,5 К в GdFeAsO 1−δ ». Сверхпроводниковая наука и технология . 21 (8): 082001. arXiv : 0804.3727 . Бибкод : 2008SuScT..21h2001Y. дои : 10.1088/0953-2048/21/8/082001. S2CID 121990600.
^ ab Yin, Yi; Zech, M.; Williams, TL; Wang, XF; Wu, G.; Chen, XH; Hoffman, JE (2009). "Сканирующая туннельная спектроскопия и вихревая визуализация в сверхпроводнике железо-пниктид BaFe 1,8 Co 0,2 As 2 ". Physical Review Letters . 102 (9): 97002. arXiv : 0810.1048 . Bibcode :2009PhRvL.102i7002Y. doi :10.1103/PhysRevLett.102.097002. PMID 19392555. S2CID 16583932.
^ ab Роттер, Марианна; Тегель, Маркус; Йохрендт, Дирк (2008). "Сверхпроводимость при 38 К в арсениде железа (Ba 1−x K x )Fe 2 As 2 ". Physical Review Letters . 101 (10): 107006. arXiv : 0805.4630 . Bibcode :2008PhRvL.101j7006R. doi :10.1103/PhysRevLett.101.107006. PMID 18851249. S2CID 25876149.
^ аб Шираге, Парашарам Марути; Миядзава, Киичи; Кито, Хиджири; Эйсаки, Хироши; Ийо, Акира (2008). «Сверхпроводимость при 26 К в (Ca 1−x Na x )Fe 2 As 2 ». Прикладная физика Экспресс . 1 (8): 081702. Бибкод : 2008APExp...1h1702M. дои : 10.1143/APEX.1.081702. S2CID 94498268.
^ Wu, G; Xie, YL; Chen, H; Zhong, M; Liu, RH; Shi, BC; Li, QJ; Wang, XF; Wu, T; Yan, YJ; Ying, JJ; Chen, XH (2009). "Сверхпроводимость при 56 К в легированном самарием SrFeAsF". Journal of Physics: Condensed Matter . 21 (14): 142203. arXiv : 0811.0761 . Bibcode : 2009JPCM...21n2203W. doi : 10.1088/0953-8984/21/14/142203. PMID 21825317. S2CID 41728130.
^ ab Wang, XC; Liu, QQ; Lv, YX; Gao, WB; Yang, LX; Yu, RC; Li, FY; Jin, CQ (2008). "Сверхпроводимость при 18 К в системе LiFeAs". Solid State Communications . 148 ( 11– 12): 538– 540. arXiv : 0806.4688 . Bibcode : 2008SSCom.148..538W. doi : 10.1016/j.ssc.2008.09.057. S2CID 55247836.
^ ab Pitcher, Michael J.; Parker, Dinah R.; Adamson, Paul; Herkelrath, Sebastian JC; Boothroyd, Andrew T.; Ibberson, Richard M.; Brunelli, Michela; Clarke, Simon J. (2008). «Структура и сверхпроводимость LiFeAs». Chemical Communications (45): 5918– 20. arXiv : 0807.2228 . doi :10.1039/b813153h. PMID 19030538. S2CID 3258249.
^ ab Tapp, Joshua H.; Tang, Zhongjia; Lv, Bing; Sasmal, Kalyan; Lorenz, Bernd; Chu, Paul CW; Guloy, Arnold M. (2008). "LiFeAs: собственный сверхпроводник на основе FeAs с T c =18 K". Physical Review B . 78 (6): 060505. arXiv : 0807.2274 . Bibcode :2008PhRvB..78f0505T. doi :10.1103/PhysRevB.78.060505. S2CID 118379012.
^ ab Chu, CW; Chen, F.; Gooch, M.; Guloy, AM; Lorenz, B.; Lv, B.; Sasmal, K.; Tang, ZJ; Tapp, JH; Xue, YY (2009). "Синтез и характеристика LiFeAs и NaFeAs". Physica C: Сверхпроводимость . 469 ( 9– 12): 326– 331. arXiv : 0902.0806 . Bibcode :2009PhyC..469..326C. doi :10.1016/j.physc.2009.03.016. S2CID 118531206.
^ ab Parker, Dinah R.; Pitcher, Michael J.; Clarke, Simon J. (2008). «Структура и сверхпроводимость слоистого арсенида железа NaFeAs». Chemical Communications . 2189 (16): 2189– 91. arXiv : 0810.3214 . doi :10.1039/B818911K. PMID 19360189. S2CID 45189652.
^ Фонг-Чи Сю и др. (2008). «Сверхпроводимость в структуре типа PbO α-FeSe». PNAS . 105 (38): 14262– 14264. Bibcode :2008PNAS..10514262H. doi : 10.1073/pnas.0807325105 . PMC 2531064 . PMID 18776050.
^ Мизугути, Ёсиказу; Томиока, Фумиаки; Цуда, Сюнсуке; Ямагучи, Такахидэ; Такано, Ёсихико (2008). «Сверхпроводимость при 27 К в тетрагональном FeSe под высоким давлением». Прил. Физ. Летт . 93 (15): 152505. arXiv : 0807.4315 . Бибкод : 2008ApPhL..93o2505M. дои : 10.1063/1.3000616. S2CID 119218961.
^ Бернардини, Ф.; и др. (2018). «Сверхпроводимость на основе железа распространена на новый силицид LaFeSiH». Physical Review B. 97 ( 10): 100504. arXiv : 1701.05010 . Bibcode : 2018PhRvB..97j0504B. doi : 10.1103/PhysRevB.97.100504. ISSN 2469-9969. S2CID 119004395.
^ Sasmal, K.; Lv, Bing; Lorenz, Bernd; Guloy, Arnold M.; Chen, Feng; Xue, Yu-Yi; Chu, Ching-Wu (2008). "Сверхпроводящие соединения на основе железа (A1−xSrx) Fe2As2 с A=K и Cs с температурами перехода до 37 K" (PDF) . Physical Review Letters . 101 (10): 107007. arXiv : 0806.1301 . Bibcode :2008PhRvL.101j7007S. doi :10.1103/physrevlett.101.107007. PMID 18851250. S2CID 2425512.
^ Zhang, SJ; Wang, XC; Liu, QQ; Lv, YX; Yu, XH; Lin, ZJ; Zhao, YS; Wang, L.; Ding, Y.; Mao, HK; Jin, CQ (2009). "Сверхпроводимость при 31 К в сверхпроводнике арсенида железа типа "111" Na 1−x FeAs, индуцированная давлением". EPL . 88 (4): 47008. arXiv : 0912.2025 . Bibcode :2009EL.....8847008Z. doi :10.1209/0295-5075/88/47008. S2CID 55588819.
^ Дай, Цзяньхуэй; Си, Цимяо; Чжу, Цзянь-Синь; Абрахамс, Элиху (17.03.2009). «Пниктиды железа как новая среда для квантовой критичности». Труды Национальной академии наук . 106 (11): 4118– 4121. arXiv : 0808.0305 . Bibcode : 2009PNAS..106.4118D. doi : 10.1073/pnas.0900886106 . ISSN 0027-8424. PMC 2657431. PMID 19273850 .
^ abc А. А. Кордюк (2012). "Сверхпроводники на основе железа: магнетизм, сверхпроводимость и электронная структура (обзорная статья)". Low Temp. Phys . 38 (9): 888. arXiv : 1209.0140 . Bibcode :2012LTP....38..888K. doi :10.1063/1.4752092. S2CID 117139280.
^ "Пресс-релиз: Японские ученые используют алкогольные напитки для создания сверхпроводимости". Институт физики. 7 марта 2011 г.
^ Deguchi, K; Mizuguchi, Y; Kawasaki, Y; Ozaki, T; Tsuda, S; Yamaguchi, T; Takano, Y (2011). "Алкогольные напитки вызывают сверхпроводимость в FeTe 1−x S x ". Наука и технологии сверхпроводников . 24 (5): 055008. arXiv : 1008.0666 . Bibcode :2011SuScT..24e5008D. doi :10.1088/0953-2048/24/5/055008. S2CID 93508333.
^ «Красное вино, винная кислота и секрет сверхпроводимости». MIT Technology Review . 22 марта 2012 г.
^ Deguchi, K; Sato, D; Sugimoto, M; Hara, H; Kawasaki, Y; Demura, S; Watanabe, T; Denholme, SJ; Okazaki, H; Ozaki, T; Yamaguchi, T; Takeya, H; Soga, T; Tomita, M; Takano, Y (2012). "Разъяснение того, почему алкогольные напитки обладают способностью вызывать сверхпроводимость в Fe 1+d Te 1−x S x ". Superconductor Science and Technology . 25 (8): 084025. arXiv : 1204.0190 . Bibcode :2012SuScT..25h4025D. doi :10.1088/0953-2048/25/8/084025. S2CID 119223257.
^ А. А. Кордюк (2018). "Электронная зонная структура оптимальных сверхпроводников: от купратов до ферропниктидов и обратно (Обзорная статья)". Low Temp. Phys . 44 (6): 477– 486. arXiv : 1803.01487 . Bibcode :2018LTP....44..477K. doi :10.1063/1.5037550. S2CID 119342977.
^ Ge, JF; Liu, ZL; Liu, C; Gao, CL; Qian, D; Xue, DK; Liu, Y; Jia, JF (2014). «Сверхпроводимость выше 100К в однослойных пленках FeSe на легированном SrTiO3». Nat. Mater . 14 (3): 285– 9. arXiv : 1406.3435 . doi : 10.1038/NMAT4153. PMID 25419814. S2CID 119227626.