Международная команда ученых из Московского физико-технического института (МФТИ), Института общей физики РАН, Южного федерального университета (ЮФУ, Ростов-на-Дону), Академии наук Китая (Key Laboratory of Materials Physics, Institute of Solid State Physics, Chinese Academy of Sciences), Университета Штутгарта (Physikalisches Institut, Universität Stuttgart, Германия) и Университета Пикардии в Амьене (Laboratory of Condensed Matter Physics, University of Picardy, Франция) выяснили, как работает механизм проводимости в перовскитах, сообщает пресс-служба МФТИ. Отчет об исследовании опубликован в журнале Physics Review B.

Кристаллы перовскита - титаната кальция - образованы из кальция, титана и кислорода (CaTiO3), причем кальций может замещаться на церий, празеодим, ниобий и тантал, а также содержать иные примеси. Перовскит обладает интересными проводящими свойствами: в частности,  на его основе были созданы гибкие солнечные батареи, эффективность которых оказалась к тому же выше традиционных панелей на основе кремния. Журнал «Science» включил перовскит в Топ-10 прорывов 2013 года, подразумевая возможность использования его в солнечной энергетике. Но токопроводящие особенности минерала зависят от его составляющих. Экспериментально ученые обнаружили, что наилучшими свойствами обладает перовскит, в составе которого есть празеодим и маргарнец (Pr1-xCaxMnO3), но чем именно объясняются эти свойства, не было известно.

"Увидеть", как двигаются заряды в материале, невозможно. Поэтому сотрудники Лаборатории терагерцовой спектроскопии, чтобы определить, какие именно частицы являются проводящими, пропускали через образцы ток разной частоты и замеряли, как меняется сдвиг фаз. Были сняты измерения частотной и температурной зависимости проводимости и диэлектрической проницаемости в очень широком диапазоне частот – от 5- до 3000 см-1. Также ученые провели замеры изменения силы тока при разных температурах – от -263 - до 27 °C. Чтобы понять, какие заряды отвечают за протекание электрического тока, было произведено сравнение свойств перовскитов с разным соотношением кальция (Ca) и празеодима (Pr).

Команда ученых во главе с Борисом Горшуновым, руководителем Лаборатории терагерцевой спектроскопии обнаружила, что в перовскитах, имеющих формулу Pr1-xCaxMnO3, существует проводимость, связанная с поляронами. Полярон - это квазичастица в кристалле, состоящая из электрона и сопровождающего его поля поляризации. Медленно движущийся электрон в диэлектрическом кристалле, взаимодействующий с ионами решётки, через дальнодействующие силы, будет постоянно окружён областью решёточной поляризации и деформации, вызванной движением электрона. В момент прохождения тока через кристалл образует пары с атомами кристаллической решетки и меняет конфигурацию кристалла. Кристаллическая структура перовскита идеально подходит для возникновения таких пар “кристалл-электрон”. Как установили ученые, в перовските проводимость осуществляется не путём перескока поляронов по локализованным состояниям, а практически как свободными частицами. 

Как полагают ученые, экспериментально подтвержденные знания о виде и характеристиках проводящих частиц дадут импульс к новым исследованиям свойств перовскитов и приблизить  их прикладное применение в инновационных технологиях.