Сверхпроводимость и ферромагнетизм борются друг с другом — ниже температуры ферромагнитного перехода материал генерирует пары вихрь-антивихрь из-за эффектов спонтанного экранирования мейснеровских токов. Толстые стрелки указывают направление векторов намагниченности, а тонкие стрелки показывают направление тока. На виде сбоку круг с кругом внутри — это тонкая стрелка, а круг с крестом — это тонкий конец стрелки. Фото: Елена Хавина / МФТИ

Российские физики из МФТИ объединились с зарубежными коллегами для принципиально нового экспериментального исследования материала, обладающего как сверхпроводящими, так и ферромагнитными свойствами. В своей статье, опубликованной в журнале Science Advances , исследователи также предлагают аналитическое решение, описывающее уникальные фазовые переходы в таких ферромагнитных сверхпроводниках.

Ферромагнитные сверхпроводники

Международная исследовательская группа изучила монокристаллическое соединение европия, железа и мышьяка, легированное фосфором с формулой EuFe2 (As0.79P0.21) 2. После охлаждения до 24 кельвинов, или -249,15 градусов по Цельсию, этот материал проявляет нулевое электрическое сопротивление и становится сверхпроводником. При дальнейшем охлаждении ниже 18 К он приобретает ферромагнитные свойства. В частности, он подвергается спонтанной намагниченности при нулевом магнитном поле, таком как железо, которое используется для изготовления постоянных магнитов.

Примечательно, что ферромагнетизм в этом случае не разрушает сверхпроводимость. Такое сосуществование магнетизма и сверхпроводимости долгое время было предметом интереса как физиков-теоретиков, так и исследователей, исследующих новые материалы с потенциалом для применения в обычной и сильноточной электронике.

С теоретической точки зрения ферромагнитные сверхпроводники интересны как материалы, проявляющие различные свойства в разных температурных диапазонах. В отличие от них, обычные сверхпроводники являются идеальными диамагнетиками. То есть магнитные поля не проникают внутрь них, потому что внешнее поле вызывает экранирующие токи на поверхности сверхпроводника. Эти токи приводят к магнитному моменту, который противодействует внешнему полю.

Кристаллическая решетка соединения исследована в исследовании

 

Кристаллическая решетка соединения исследована в исследовании. Розовые сферы представляют собой атомы мышьяка и фосфора. Атомы железа и европия показаны оранжевым и синим цветом соответственно. Фото: Елена Хавина / МФТИ

Магнитные и электрические свойства материалов взаимосвязаны, поэтому «своеобразные» ферромагнитные сверхпроводники привлекли внимание ученых. Изучив их, можно лучше понять природу сверхпроводимости как макроскопическое квантовое явление. Возможно, это направление исследований могло бы даже пролить свет на перспективы сверхпроводников, которые будут работать при комнатной температуре, которые, по-видимому, до сих пор попадают в область фантастики.

В ферромагнитных материалах намагниченность составляющих частиц самопроизвольно выравнивается ниже определенной температуры, называемой точкой Кюри. Это приводит к образованию равномерно намагниченных областей, называемых доменами, взаимодействие которых определяет общее магнитное поле материала. Выше температуры Кюри магнитное упорядочение теряется.

Ферромагнетики используются в промышленности для изготовления различных устройств, которые хранят или обрабатывают информацию, закодированную в намагниченных носителях. Знакомые примеры магнитных накопителей — это жесткие диски, магнитофонная лента и магнитные полосы на кредитных картах.

Сосуществование ферромагнетизма и сверхпроводимости может иметь потенциал с практической точки зрения. Однако для разработки технологических применений этой комбинации свойств материалов инженерам и физикам необходимо более детально понять процессы, происходящие в ферромагнитных сверхпроводниках.

 

Магнитно-силовая микроскопия изображений 8 микрон на 8 микрон

 

Магнитно-силовая микроскопия изображений 8 микрон на 8 микрон на образце при различных температурах. На рисунке D показано правильное вихревое состояние Абрикосова при температуре выше температуры ферромагнитного перехода, но ниже точки Кюри. Состояние генерируется внешним магнитным полем, которое характерно для всех сверхпроводников второго типа. Изображения E и F показывают состояния домена Мейснера и вихревого домена соответственно. Схемы GI иллюстрируют соответствующие случаи выше. Буква М обозначает магнитный момент, а jS обозначает сверхпроводящий ток. Фото: Василий Столяров и др. / Science Advances

Новый мейснеровский этап

Чтобы выяснить, что происходит на исследуемой в исследовании поверхности кристалла, исследователи использовали магнитно-силовой микроскоп. Это позволило им создать трехмерную карту с высоким разрешением, показывающую распределение магнитного поля вблизи поверхности образца при различных температурах. Как только материал остыл ниже точки Кюри, или около 18 К, на карте были обнаружены магнитные домены. При 19-24 К на карте показаны вихри Абрикосова, которые являются характерной чертой сверхпроводников. Кроме того, команда обнаружила новую фазу, которая существует немного ниже точки Кюри, между 17,8 и 18,25 К, и проявляется как домены Мейснера.

Эффект Мейснера-Оксенфельда относится к вытеснению магнитного поля из сверхпроводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Материал сопротивляется проникновению внешних линий магнитного поля. В результате внешнее магнитное поле индуцирует сверхпроводящие мейсснеровские токи в тонком слое материала вблизи поверхности образца.

Авторы исследования, о котором сообщается в этой статье, экспериментально обнаружили новую фазу эффекта Мейснера, названную доменами Мейснера, и наблюдали его превращение в «вихревые домены». Понятие домена Мейснера относится к периодической структуре, возникающей в результате спонтанного Мейснера. токи, возникающие вследствие экранирования внутренней магнитной подсистемы атомов европия. Этот переход является следствием квантования противоположно ориентированных спонтанных магнитных потоков в мейсснеровских доменах после достижения критического магнитного поля для данного сверхпроводника.

Изменяя температуру в ходе своего эксперимента, исследователи проследили переход образца из одной фазы в другую.

 

Желтые стрелки показывают пару вихрь-антивихрь

 

Охлаждение образца. Желтые стрелки показывают пару вихрь-антивихрь, поскольку она генерируется (N), разделяет (O) и далее расходится (P). Авторы отмечают, что этот процесс наблюдается на стыках доменов, называемых Y-дислокациями (как в M), или на месте ранее существовавшего вихря. Фото: Василий Столяров и др. / Science Advances

Василий Столяров, соавтор статьи, прокомментировал результаты исследования: «Мы впервые показали, что происходит на поверхности недавно открытых ферромагнитных сверхпроводников. Это первое наблюдение так называемых мейсснеровских доменов и переход от мейсснеровских доменов к вихревым доменам, который происходит, когда вихрево-антивихревые пары самопроизвольно генерируются в мейснеровских доменах, противодействуя экранирующим мейсснеровским токам в соседних доменах. Самопроизвольная генерация вихрево-антивихревых пар Абрикосова в однородном сверхпроводнике ранее не наблюдалась, несмотря на то, что это явление было предсказано теоретически и косвенно вытекает из исследований по переносу электронов ».

«Наши открытия открывают новые возможности в современной физике сверхпроводимости», — говорит Столяров, заместитель заведующего лабораторией топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ. «Результаты исследования закладывают основу для будущих фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований процессов, происходящих в сверхпроводниках в атомном масштабе. Мы готовим серию статей, детализирующих наши исследования подобных материалов, и эта публикация является первой в своем роде ».

Физик добавил, что исследуемый в исследовании фазовый переход может быть использован для управления процессами, происходящими в сверхпроводнике. В частности, это явление может помочь контролировать вихри Абрикосова в кристалле и образовывать одиночные пары вихрь-антивихрь, что полезно для разработки электроники на основе гибридных сверхпроводящих материалов.

 

По материалам phys.org