Загадочный магнетизм сверхпроводников: динамика во времени оказалась важнее пространства
Ученые из лаборатории компьютерного дизайна материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ предложили новую теоретическую модель, которая объясняет загадочное поведение магнитных свойств в высокотемпературных сверхпроводниках. Ключевым открытием стало понимание того, что для корректного описания этих материалов необходимо учитывать, как их магнитные взаимодействия меняются во времени, а не только в пространстве. Этот динамический подход позволил разрешить давнее противоречие между теорией и экспериментом.
История высокотемпературной сверхпроводимости — одна из самых интригующих проблем современной физики. С момента открытия в 1986 году материалов, способных проводить электрический ток без потерь при относительно высоких температурах, ученые бьются над разгадкой их тайн. Одни из самых перспективных кандидатов на эту роль — купраты, сложные оксиды меди. В исходном состоянии эти материалы представляют собой так называемые антиферромагнетики. Их можно представить как идеальную шахматную доску, где спины (собственные магнитные моменты) электронов на соседних атомах меди строго упорядочены и направлены в противоположные стороны. Этот строгий порядок делает материал изолятором. Но стоит внести в него небольшое количество примесей, или, как говорят физики, легировать его, как происходит чудо: материал становится сверхпроводником, а его магнитная структура кардинально меняется.
Идеальный дальний магнитный порядок, простирающийся через весь кристалл, исчезает. Вместо него остаются лишь небольшие, разрозненные «островки» динамического магнитного порядка. Расстояние, на котором сохраняются остаточные магнитные корреляции, называется корреляционной длиной. И именно здесь крылась одна из главных загадок: экспериментальные измерения показывали, что эти магнитные «островки» очень малы, их размер составляет всего несколько межатомных расстояний. Однако существующие теоретические модели предсказывали значительно большие значения, расходясь с реальностью на порядок. Этот разрыв мешал созданию единой теории, способной описать переход от магнитного изолятора к высокотемпературному сверхпроводнику.
Физики-теоретики из лаборатории компьютерного дизайна материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ обратили внимание на тонкий, но, как оказалось, решающий аспект, который в предыдущих работах часто упрощался. Речь идет о так называемой спиновой жесткости — параметре, описывающем, насколько сложно «возмутить» упорядоченную магнитную структуру. Эту жесткость можно разделить на пространственную, отвечающую за изменения порядка от точки к точке, и временную, связанную с динамикой, то есть с колебаниями спинов во времени. Большинство предыдущих моделей рассматривали временную жесткость как постоянную величину. Результаты исследования опубликованы в разделе Letters журнала Physical Review B.
Российские физики предположили, что именно в этом упрощении и кроется корень проблемы. Исследовав детально калибровочную инвариантность микроскопических моделей, они построили более полную модель, в которой временная спиновая жесткость стала динамической величиной, зависящей от частоты колебаний. Полученную модель ученые детально проверили, сравнив ее результаты с микроскопическими подходами.
Расчеты показали, что с ростом частоты колебаний временная спиновая жесткость в купратах резко падает. Этот эффект, который можно сравнить с «размягчением» магнитной системы на высоких частотах, приводит к сильному подавлению квантовых флуктуаций и не позволяет магнитному порядку распространяться на большие расстояния. В итоге вычисленная длина корреляции оказалась на удивление короткой и практически идеально совпала с экспериментальными данными для одного из самых изученных купратов, La₂-ₓSrₓCuO₄.
На основе своей модели ученые построили фазовую диаграмму, своего рода «карту магнитных состояний» материала в зависимости от температуры и концентрации примесей. Эта карта предсказала существование лишь очень узкой области легирования, в которой при низких температурах может возникать устойчивый дальний магнитный порядок — еще один факт, хорошо согласующийся с наблюдениями.
Андрей Катанин, главный научный сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, прокомментировал результаты работы: «Успех нашей модели открывает дорогу для дальнейших, еще более точных исследований. Мы показали, какой физический механизм играет ключевую роль. Теперь можно двигаться дальше, усложняя модель, чтобы учесть и другие факторы, например локальные флуктуации, выходящие за рамки используемого приближения, или влияние структурного беспорядка. Каждый такой шаг приближает нас к конечной цели — созданию всеобъемлющей теории высокотемпературной сверхпроводимости, которая однажды может привести к созданию материалов, способных изменить наш технологический мир».
Иван Горемыкин, сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов, аспирант кафедры вычислительной физики конденсированного состояния и живых систем МФТИ, добавил: «Наше исследование показывает, что для понимания этих сложных систем нельзя пренебрегать их динамикой. Представьте, что вы пытаетесь понять характер движения толпы по одной-единственной фотографии — вы упустите все взаимодействия. Мы же, по сути, перешли от статичной «фотографии» магнитной системы к полноценному «видео», учтя, как система реагирует на возмущения разной частоты. Оказалось, что именно эта динамика и определяет хрупкость магнитного порядка, наблюдаемую в экспериментах».
Проведенное исследование не только решает конкретную давнюю проблему, но и указывает на важность динамических эффектов в сильно коррелированных электронных системах — классе материалов, к которому относятся не только сверхпроводники, но и многие другие экзотические вещества с потенциалом для будущих технологий. Понимание тонкого баланса между магнетизмом и сверхпроводимостью — один из главных вызовов современной физики конденсированного состояния, и новое исследование представляет собой важный шаг на пути к его преодолению.
Telegram 
Дзен 
VK Провинция Цзянсу была процветающим центром медицинской практики в Китае во времена династии Мин (1368-1644 годы нашей эры). Микроскопический анализ крошечных частиц на поверхности хирургических ножниц и пинцета из гробницы китайского врача помог выявить следы вещества, получаемого из ядовитого растения, которое, по мнению исследователей, применялось как местная анестезия во время операций.
Сотрудники Центра языка и мозга НИУ ВШЭ приняли участие в редкой для детской нейрохирургии операции с пробуждением у 11-летнего пациента с фармакорезистентной эпилепсией. Совместно с врачами НПЦ специализированной медицинской помощи детям имени В.Ф. Войно-Ясенецкого в Солнцево они сопровождали удаление участка левой височной доли, где был выявлен эпилептический очаг.
Анализ ДНК и изотопный анализ зубов показали, что мужчина генетически был связан с саамскими популяциями, но часть жизни провел за пределами Финляндии — возможно, в Исландии. Авторы нового исследования пришли к выводу, что на рубеже XVI-XVII веков саамские сообщества не были изолированы, как предполагали многие исследователи. Люди путешествовали на далекие расстояния и поддерживали контакты с дальними регионами Северной Атлантики.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
Провинция Цзянсу была процветающим центром медицинской практики в Китае во времена династии Мин (1368-1644 годы нашей эры). Микроскопический анализ крошечных частиц на поверхности хирургических ножниц и пинцета из гробницы китайского врача помог выявить следы вещества, получаемого из ядовитого растения, которое, по мнению исследователей, применялось как местная анестезия во время операций.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно