Ученые выяснили, как двигаются проводящие частицы в перовскитах

Исследовательскими работами занималась международная команда ученых из МФТИ, Ростова-на-Дону, Китая, Германии и Франции.

Перовскиты — класс веществ, имеющих почти идеальную структуру, и это «почти» — самое полезное в них свойство. Благодаря своей неидеальности перовскиты — основа большинства современных высокотемпературных сверхпроводников. Они также позволяют делать гибкие солнечные батареи без использования редкоземельных металлов, чем сильно удешевляют технологию.

Чтобы понять, какие частицы являются проводящими, ученые прикладывали к образцам напряжение разной частоты, замеряя зависимость индуцируемого тока от частоты. Чтобы не пропустить никаких деталей, они мерили частотные и температурные зависимости проводимости и диэлектрической проницаемости в очень широком диапазоне частот (5 — 3000 см^-1) и температур (10 — 300 К или −263 — 27 °C). Но даже этого оказалось недостаточно, чтобы понять, какие заряды ответственны за протекание электрического тока в этих соединениях. Поэтому было произведено сравнение свойств перовскитов с разным соотношением кальция (Ca) и празеодима (Pr).

В результате команда ученых во главе с руководителем лаборатории терагерцевой спектроскопии Борисом Горшуновым обнаружила, что в перовскитах, имеющих формулу Pr_1-xCa_xMnO₃, существует проводимость, связанная с так называемыми поляронами.

Полярон — это электрон, который при своем распространении смещает ионы кристаллической решетки со своих мест собственным полем — «гнет» кристалл, действующий в ответ на электрон.

Перовскиты со своей почти идеальной структурой замечательно подходят для возникновения таких пар «кристалл-электрон». Более того, выяснилось, что они в большом количестве двигаются как единое целое — когерентно, то есть механизм проводимости является, что называется, зонным. Это значит, что проводимость осуществляется не путем перескока поляронов по локализованным состояниям, а практически в виде движения свободных частиц.

Теперь, с экспериментально подтвержденным знанием о виде и характеристиках проводящих частиц, исследования перовскитов должны получить мощный рывок и приблизить их масштабное коммерческое применение. Например, уже существует опытный образец высокоэффективной и дешевой установки по разделению воды на кислород и водород, основанной на перовскитах. Также они обладают отличными показателями для светодиодов, хотя пока работают лишь при температурах жидкого азота.