Сверхпроводимость - одна из центральных тем в современном материаловедении: определенные материалы могут проводить электрический ток без какого-либо сопротивления - по крайней мере, при определенной температуре. Однако, как получить материалы, которые все еще проявляют это свойство при более высоких температурах, остается нерешенной проблемой.

Теперь исследователи из Венского университета обнаружили удивительную связь между двумя на самом деле совершенно разными классами сверхпроводников - так называемыми "купратами" и "пниктидами": материал мурунскит сочетает в себе свойства обоих неожиданным образом. Удивительно то, что, несмотря на то, что важнейшие атомы в мурунските расположены совершенно случайным образом, магнитные свойства четко упорядочены даже при удивительно высоких температурах и напоминают свойства пниктидов железа. Аналогично, в купратах возникает особый вид металличности, который может быть связан только с исключительно чистыми системами, несмотря на большой локальный беспорядок, наряду с высокотемпературной сверхпроводимостью. "Виновниками" в купратах и мурунските являются открытые орбитали лигандов.

Два мира - и один между ними

Материалы, которые проявляют сверхпроводящие свойства даже при относительно высоких температурах, известные как высокотемпературные сверхпроводники, обычно обязаны этим свойством сложному квантово-физическому взаимодействию между различными типами атомов. Требуется много усилий, чтобы смоделировать эффекты в таких материалах на компьютере и понять их теоретически.

Однако в последние десятилетия были обнаружены различные классы материалов, которые оказались многообещающими для исследований сверхпроводимости, такие как класс купратов. Это керамические соединения, содержащие атомы меди, в которых сверхпроводимость возникает из изолирующего состояния при легировании носителями заряда. Совершенно другим классом сверхпроводников являются пниктиды - металлические материалы с подвижными электронами.

Исследователи из Венского университета теперь более внимательно изучили другой материал: мурунскит, кристалл, состоящий из калия, железа, меди и серы. Хотя сам по себе он не является сверхпроводником, он тесно связан со сверхпроводящими материалами. "Мурунскит является, в некотором смысле, недостающим звеном между этими двумя классами материалов", - говорит профессор. Невен Бариши? из Института физики твердого тела в Венском университете. "Он имеет кристаллическую структуру, подобную пниктидам, но электронные свойства подобны купратам. Его магнитные свойства новы и удивительны, хотя и напоминают как купраты, так и пниктиды."

Геометрический беспорядок, магнитный порядок

Существует много материалов, которые проявляют магнитные эффекты. Это означает, что атомы выстраиваются магнитно одинаково - подобно множеству маленьких стрелок компаса, указывающих в одном направлении. Обычно атомы также должны быть расположены геометрически правильным образом. Это общепринятый способ гарантировать, что все они влияют друг на друга одинаково, так что магнитный порядок может развиваться на больших расстояниях.

Удивительно, однако, что с мурунскитом дело обстоит иначе: "В этом материале атомы расположены неравномерно", - говорит Приянка Редди. - В определенных точках кристаллической решетки может находиться либо атом меди, либо атом железа. Атомы меди не обладают магнитным эффектом, в отличие от атомов железа."

Не существует геометрического рисунка, в соответствии с которым располагаются атомы меди и железа; они полностью перемешаны случайным образом. И все же, как теперь смогла показать исследовательская группа, магнитный порядок возникает при температуре минус 176 градусов Цельсия (97 К): атомы железа выстраиваются магнитным образом в одну и ту же структуру, даже если они находятся на разном расстоянии друг от друга.

"В данном случае мы говорим о возникающем порядке", - объясняет Давор Толь. "Несмотря на то, что атомы не следуют никаким геометрическим правилам, они образуют магнитно упорядоченные кластеры - упорядоченные острова в море неупорядоченных атомов, которые, в некотором смысле, согласуются с общим магнитным направлением". Эти кластеры соединяются с другими кластерами, так что, несмотря на отсутствие геометрического порядка, возникает магнитный порядок, который пронизывает весь кристалл.

Результат показывает, что магнитный порядок не обязательно должен основываться на идеальном порядке атомов. Это открывает новые возможности в исследованиях материалов и устройств, связанных со сверхпроводниками и не только.