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