Ученые объясняют необычные особенности перовскитов

Перовскиты представляют собой материал с почти идеальной структурой. Большинство высокотемпературных сверхпроводников базируются на перовскитах из-за их неидеальной структуры. Материал также может быть использован для изготовления гибких солнечных батарей без редкоземельных металлов, что помогло бы снизить затраты и позволить их крупномасштабное производство.

Один из авторов отмечает манганитоподобные свойства перовскитов. «Этот материал обладает многими интересными и интригующими свойствами, прежде всего гигантским магнетосопротивлением. Многие свойства манганитов неизвестны, несмотря на то что манганиты изучались в течение многих десятилетий, мы пытались выяснить, какой механизм проводимости у одного из наиболее распространенного соединения - Pr_1xCa_xMnO₃», - сказал он. Все эти особенности были обнаружены экспериментально, но процессы, объясняющие эти уникальные свойства, неизвестны.

Полупроводники были открыты более 150 лет назад. Электричество было новой областью физики, развивающейся в то время. Было очевидно, что имелись изоляторы, как резина и стекло, проводники, такие как медь и золото, а также некоторые неопределенные материалы, полупроводники, которые не входили ни в одну категорию. Механизмы полупроводников оставались неизвестными около ста лет. Это было так до 1930-х годов, когда проблема была решена, и был сделан первый транзистор. В наше время трудно представить себе любое электронное устройство без транзисторов.

К сожалению, не представляется возможным видеть движение зарядов в материале под микроскопом. Именно поэтому исследователи из Лаборатории терагерцовой спектроскопии, МФТИ, решили использовать косвенные методы обнаружения. Для того чтобы проверить, какие частицы обусловливают проводимость, они применили напряжения разных частот и измерили соотношение между частотой и индуцированным током. Ученые измеряли частоту и температурную зависимость проводимости и диэлектрической проницаемости в широком диапазоне частот (5—3000 Гц), чтобы покрыть все базовые области. Широкие диапазоны температур – от 10 до 300 К (-263 до 27 ° C) – образцов были получены, чтобы различать аналогичные зависимости образцов с различными механизмами проводимости. Но даже этого было недостаточно для выяснения природы носителей заряда. По этой причине исследователи сравнили перовскиты с различным соотношением кальция (Са) и празеодима (Pr).

Группа ученых во главе с Борисом Горшуновым, руководителем Лаборатории терагерцовой спектроскопии, обнаружила таким образом, что носителями заряда в перовскитах Pr_1-x Ca_xMnO₃ являются поляроны. Полярон представляет собой отрицательную квазичастицу, движущуюся через образующие материал атомы, в результате чего соседние положительные заряды сдвигаются к нему, а соседние отрицательные заряды – от него. Свойства перовскитов идеально подходят для электрон-фононной связи, определяемой взаимодействием, вызванным нарушением симметрии. Исследователи установили, что поляроны двигаются согласованно (как единое целое). То есть можно говорить, что носители заряда ведут себя скорее как несвязанные частицы. Идея когерентности используется в лазерах, сверхпроводниках, в высокоточных измерениях расстояния, квантовых вычислениях и т.д.

Установление механизма проводимости может ускорить проектирование и создание крупномасштабных приложений. Например, уже есть высокоэффективные устройства на основе перовскита для гидролиза воды. Перовскиты также могут быть использованы в светоизлучающих диодах, однако они в настоящее время в состоянии функционировать только при температуре жидкого азота.

Атомы празеодима показаны зеленым цветом, атомы кислорода – оранжевым и атомы титана – фиолетовым