Сверхпроводимость против ферромагнетизма: сыграли вничью — Naked Science
15 минут
ФизТех

Сверхпроводимость против ферромагнетизма: сыграли вничью

4.1

Российские физики из МФТИ совместно с иностранными коллегами провели пионерские экспериментальные исследования вещества, одновременно сочетающего свойства сверхпроводника и ферромагнетика.

Сверхпроводимость против ферромагнетизма: сыграли вничью / ©Пресс-служба МФТИ

Ученые представили и аналитическое решение, описывающее уникальные фазовые превращения в таких ферромагнитных сверхпроводниках. Работа опубликована в журнале Science Advances.

Ферромагнитные сверхпроводники

Международная группа исследователей изучила монокристаллическое соединение на основе европия, железа и мышьяка, допированного фосфором EuFe2(As0.79P0.21)2. Данный кристалл при охлаждении до температуры 24 К (минус 249,15℃) становится сверхпроводником и полностью утрачивает электрическое сопротивление. Кроме того, при дальнейшем охлаждении ниже 18К это же соединение демонстрирует ферромагнитные свойства: в частности, проявляет спонтанную намагниченность в отсутствие внешнего магнитного поля (как железо, из которого делают постоянные магниты).

Самое удивительное, что ферромагнетизм при этом не разрушает сверхпроводимость. Такое сосуществование магнетизма и сверхпроводимости давно привлекает внимание как теоретиков, так и ученых, занятых поиском перспективных материалов для обычной и сильноточной, рассчитанной на управление очень большими токами, электроники.

Сверхпроводимость против ферромагнетизма: сыграли вничью
Рисунок 1. Схематическое изображение зарождения пары вихрь — антивихрь под воздействием спонтанных экранирующих (мейснеровских) токов при понижении температуры ниже критической температуры ферромагнитного перехода. Жирные стрелки показывают направление векторов намагниченности, а тонкие (в сечении обозначенные как кружок с крестом и кружок с кружком внутри) обозначают направление тока / Пресс-служба МФТИ

С теоретической точки зрения ферромагнитные сверхпроводники интересны тем, что в разных диапазонах температур проявляют разные свойства. Не вдаваясь подробно в теорию сверхпроводимости, отметим, что обычные сверхпроводники формально являются идеальными диамагнетиками: на их поверхности под действием внешнего магнитного поля возникают экранирующие токи, которые создают противоположно направленный внешнему магнитному полю магнитный момент.

Таким образом, магнитное поле внутрь сверхпроводника не проникает. Магнитные свойства веществ тесно связаны с их электрическими характеристиками, поэтому «не такие» сверхпроводники оказались в фокусе внимания ученых: их изучение позволяет лучше понять природу сверхпроводимости как макроскопического квантового явления. А может, помочь и при создании пока кажущихся фантастическими сверхпроводников, работающих при температурах, близких к комнатной.

В ферромагнитных же веществах при температуре ниже точки Кюри естественным образом возникает структура из намагниченных участков (доменов). Точка Кюри — температура, ниже которой вещество проявляет ферромагнитные свойства. Если ферромагнетик нагреть сильнее, его структура перестраивается, и он перестает намагничиваться. Это свойство позволяет создавать различные полезные устройства, которые оперируют намагниченностью для хранения и обработки информации. Магнитофонная лента и жесткий диск компьютера — пожалуй, самые известные примеры. Сочетание сверхпроводимости и ферромагнетизма может быть перспективно с практической точки зрения, однако для целенаправленного поиска технологических решений инженерам и физикам нужно иметь детальное представление о процессах, происходящих в подобных системах.

Сверхпроводимость против ферромагнетизма: сыграли вничью
Рисунок 2. Структура кристаллической решетки исследованного соединения. Розовыми сферами обозначены атомы мышьяка и фосфора, синими — атомы европия, а желтыми — железа / Пресс-служба МФТИНовая фаза Мейснера

Для получения информации о том, что происходит на поверхности изучаемого кристалла, ученые использовали методы магнитно-силовой микроскопии (МСМ). Магнитно-силовая микроскопия позволяет получить карту пространственного распределения магнитного поля вблизи поверхности образца с высоким разрешением и тем самым увидеть при различных температурах как магнитные домены (при температуре ниже точки Кюри, ~ 18 К), так и характерные для сверхпроводника вихри Абрикосова (при температуре 19-24 К). Кроме того, когда образец имел температуру в диапазоне 17,8-18,25 К (то есть чуть ниже точки Кюри), в нем обнаружилась новая фаза — проявляющаяся в виде «мейсснеровских доменов».

Эффект Мейснера — Оксенфельда — выталкивание внешнего магнитного поля при переходе в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводник сопротивляется проникновению силовых линий магнитного поля в объем материала. В результате внешнее магнитное поле генерирует в тонком приповерхностном слое вещества сверхпроводящие (мейснеровские) токи.

В этом исследовании экспериментально было обнаружено существование новой фазы эффекта Мейснера: «мейснеровских доменов» (периодическая структура, обусловленная спонтанными мейснеровскими токами, генерируемыми в результате экранировки внутренней магнитной подсистемы атомов европия) и последующей трансформации в «вихревые домены». Этот переход обусловлен квантованием спонтанных магнитных потоков, направленных в противоположные стороны внутри мейснеровских доменов при достижении критического — для данного сверхпроводника — значения магнитного поля.

Сверхпроводимость против ферромагнетизма: сыграли вничью
Рисунок 3. Снимки с помощью магнитно-силовой микроскопии (размер карт 8х8 микрон) образца при разных температурах. На иллюстрации D изображено обычное вихревое состояние из вихрей Абрикосова при Tfm<T<Tc, генерируемое внешним магнитным полем, присущим всем сверхпроводникам второго рода, на картинке E — состояние мейснеровских доменов, на картинке F — состояние вихревых доменов. Схемы в нижнем ряду иллюстрируют те же случаи; js обозначен сверхпроводящий ток, а M — магнитный момент / Пресс-служба МФТИ, изображение из статьи исследователей

Меняя в процессе эксперимента температуру, ученые смогли проследить за переходом образца из одной фазы в другую.

Сверхпроводимость против ферромагнетизма: сыграли вничью
Рисунок 4. Образец в процессе охлаждения. Желтыми стрелками показано зарождение и перемещение пары вихрь — антивихрь; исследователи отмечают, что это происходит в местах, где до этого отмечалась некая неоднородность — либо уже имелся вихрь, либо Y-образная «развилка» в магнитных мейснеровских доменах / Пресс-служба МФТИ, изображение авторов исследования

По словам Василия Столярова, заместителя руководителя Лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ и первого автора статьи: «Впервые в мире мы продемонстрировали, что происходит на поверхности недавно открытых ферромагнитных сверхпроводников. Впервые были обнаружены так называемые мейснеровские домены, а также фазовый переход от мейснеровских доменов к вихревым доменам: это происходит, когда в мейснеровских доменах начинают зарождаться спонтанные пары вихрей и антивихрей Абрикосова, компенсирующие экранирующие токи Мейснера в соседних доменах. Спонтанное зарождение пар вихрей и антивихрей Абрикосова в однородном сверхпроводнике ранее никем обнаружено не было, хотя их возможное существование было предсказано теоретически и косвенно из электронно-транспортных исследований.

Наши результаты открывают новую страницу в современной физике сверхпроводимости, они дают почву для будущих фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований процессов, протекающих в сверхпроводниках на атомном масштабе. Мы готовим ряд научных статей по проведенным исследованиям на такого типа материалах, и данная публикация является первой в своем роде».

Исследователь добавил, что переход материала из одной фазы в другую можно использовать для управления процессами внутри сверхпроводника. В частности, это явление может помочь управлять вихрями Абрикосова в кристалле и создавать отдельные пары вихрь — антивихрь, что может быть использовано при разработке электронных устройств на основе гибридных сверхпроводящих материалов.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
196 статей
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Вчера, 09:45
4 минуты
Сергей Васильев

Глубоко в носоглотке ученые обнаружили новую — четвертую — пару крупных слюнных желез, о существовании которой ранее никто не подозревал.

Позавчера, 08:27
11 минут
Мария Азарова

Ученые из Университетского колледжа Лондона рассказали о случае 45-летнего пациента, перенесшего Covid-19 в достаточно тяжелой форме: примерно через 40 дней после заражения он начал ощущать звон в ушах и внезапную потерю слуха.

Вчера, 14:56
5 минут
Ольга Иванова

Международная группа ученых реконструировала события крупнейшего вымирания в истории Земли — пермско-триасового — и назвала ключевой, по ее мнению, фактор, который привел к катастрофе.

Позавчера, 12:21
4 минуты
Ольга Иванова

Международная группа ученых сделала рентгеновские снимки грудного отдела тела муравьев, проанализировав их мышцы и внутренний скелет. В результате исследователи выяснили, что сила этих насекомых связана с потерей способности летать.

16 октября
6 минут
Василий Парфенов

Несмотря на устоявшееся мнение, согласно которому газотурбинные двигатели (ГТД) почти достигли технологического совершенства и прироста характеристик более чем на единицы процентов в новых моделях ждать не стоит, инженеры продолжают искать способы радикально их улучшить. Компания GE Aviation уже до конца 2020 года собирается представить предсерийные экземпляры своих революционных силовых установок, которые должны быть на 20% долговечнее, на 35% экономичнее и будут иметь улучшенную на 80% энерговооруженность, чем предыдущие аналогичные модели.

16 октября
53 минуты
Александр Березин

Одни говорят, что в мире миллионы тонн ядерных отходов и что их никогда не удастся надежно захоронить, в связи с чем Гринпис перекрывает железные дороги, по которым везут ядерные материалы, и требует свернуть всю ядерную отрасль в одночасье. Другие утверждают, что реальные ядерные отходы от деятельности АЭС во всем мире помещаются в куб со стороной десять метров. Как понять, кто прав, а кто — нет? И почему то, что для одних — «отходы», другие рассматривают как ценную инвестицию в будущее? Попробуем разобраться.

28 сентября
29 минут
Александр Березин

Сентябрь 2020 года принес в Закавказье войну — столкновение Азербайджана и Нагорного Карабаха получило большой размах, общее число жертв, судя по всему, уже перевалило за сотню, а Ереван и Баку объявили мобилизацию (в Азербайджане — частичную). Объективного смысла в войне для самих участников нет. Баку не победит, но и Армения от конфликта ничего не выиграет. Пользу конфликт, однако, объективно принесет Турции, а также тем, кто поставляет в Азербайджан оружие. Возникает вопрос: почему война оказалась возможна, несмотря на дружественную позицию России к Армении, и зачем на нее пошли в Баку? И есть ли у Еревана разумный выход из назревающей бойни?

16 октября
6 минут
Денис Гордеев

Люди со второй и четвертой группами крови с большей вероятностью переболеют Covid-19 в тяжелой форме.

1 октября
39 минут
Александр Березин

После советской эпохи атомные реакторы перестали запускать в космос, но сегодня все постепенно меняется. К атомной энергетике для марсианских колоний примеривается Илон Маск, проекты лунных АЭС прорабатываются в России — и все несмотря на то, что в космосе условия для солнечной энергетики лучше, чем на нашей планете. Что заставляет космическую отрасль все чаще думать об атомных реакторах? Как ни странно, дело в том, что и ядерная энергетика в космосе становится еще важнее, чем на Земле. Попробуем разобраться почему.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: