Російські фізики з Московського фізико-технічного інституту спільно з іноземними колегами провели піонерські експериментальні дослідження речовини, одночасно поєднує властивості надпровідника і феромагнетика. Вчені представили і аналітичне рішення описує унікальні фазові перетворення в таких феромагнітних надпровідниках. Робота опублікована в журналі Science Advances, коротко про її результати повідомляє прес-служба МФТІ.
феромагнітні надпровідники
Міжнародна група дослідників вивчила монокристалічного з'єднання на основі європію, заліза і миш'яку допированного фосфором EuFe2 (As0.79P0.21) 2. Даний кристал при охолодженні до температури 24 Кельвін (-249,15 ℃) стає надпровідників і повністю втрачає електричний опір. Крім того, при подальшому охолодженні нижче 18К це ж з'єднання демонструє феромагнітні властивості: зокрема, проявляє спонтанну намагніченість у відсутності зовнішнього магнітного поля (як залізо, з якого роблять постійні магніти).
Найдивовижніше, що феромагнетизм при цьому не руйнує надпровідність. Таке співіснування магнетизму і надпровідності давно привертає увагу як теоретиків, так і вчених, зайнятих пошуком перспективних матеріалів для звичайної і потужнострумової, розрахованої на управління дуже великими струмами, електроніки.
Малюнок 1. Схематичне зображення зародження пари вихор-антівіхрь під впливом спонтанних екранують (мейснеровском) струмів при зниженні температури нижче критичної температури феромагнітного переходу. Жирні стрілки показують напрямок векторів намагніченості, а тонкі стрілки (в перетині позначені як гурток з хрестом і гурток з гуртком всередині) позначають напрямок струму.
З теоретичної точки зору феромагнітні надпровідники цікаві тим, що в різних діапазонах температур проявляють різні властивості. Не вдаючись детально в теорію надпровідності, відзначимо, що звичайні надпровідники формально є ідеальними діамагнетиками: на їх поверхні під дією зовнішнього магнітного поля виникають екранують струми, які створюють протилежно спрямований до зовнішнього магнітного поля магнітний момент. Таким чином, магнітне поле всередину надпровідника не проникає. Магнітні властивості речовин тісно пов'язані з їх електричними характеристиками, тому "не такі" надпровідники опинилися у фокусі уваги вчених - їх вивчення дозволяє краще зрозуміти природу надпровідності як макроскопічного квантового явища. А може допомогти і при створенні поки здаються фантастичними надпровідників працюють при температурах близьких до кімнатної.
У феромагнітних же речовинах при температурі нижче точки Кюрі природним чином виникає структура з намагнічених ділянок (доменів). Точка Кюрі - температура, нижче якої речовина проявляє феромагнітні властивості. Якщо феромагнетик нагріти сильніше, його структура перебудовується і він перестає намагнічуватися. Це властивість дозволяє створювати різні корисні пристрої, які оперують намагниченностью для зберігання і обробки інформації. Магнітофонний стрічка і жорсткий диск комп'ютера - мабуть, найвідоміші приклади. Поєднання надпровідності і феромагнетизму може бути перспективно з практичної точки зору, проте для цілеспрямованого пошуку технологічних рішень інженерам і фізикам потрібно мати детальне уявлення про процеси, що відбуваються в подібних системах.
Малюнок 2. Структура кристалічної решітки дослідженого з'єднання. Рожевими сферами позначені атоми миш'яку і фосфору, синіми - атоми європію, а жовтими - заліза.
Нова фаза Месснер
Для отримання інформації про те, що відбувається на поверхні досліджуваного кристала, вчені використовували методи магнітно-силової мікроскопії (ЧСЧ). Магнітно-силова мікроскопія дозволяє отримати карту просторового розподілу магнітного поля поблизу поверхні зразка з високою роздільною здатністю і тим самим побачити при різних температурах як магнітні домени (при температурі нижче точки Кюрі, ~ 18 К), так і характерні для надпровідника вихори Абрикосова (При температурі 19-24 К). Крім того, коли зразок мав температуру в діапазоні 17,8 - 18,25 Кельвін (тобто трохи нижче точки Кюрі), в ньому виявилася нова фаза - проявляється у вигляді "мейснеровському доменів".
Ефект Мейсснера-Оксенфельда - виштовхування зовнішнього магнітного поля при переході в надпровідний стан. Надпровідник пручається проникненню силових ліній магнітного поля в обсяг матеріалу. В результаті - зовнішнє магнітне поле генерує в тонкому приповерхневому шарі речовини надпровідні (мейснеровському) струми.
В даному дослідженні експериментально було виявлено існування нової фази Ефекту Мейсснера - "мейснеровському доменів" (періодична структура обумовлена спонтанними мейснеровском струмами генеруються в результаті екранування внутрішньої магнітної підсистеми атомів европия) і подальшої трансформації в "вихрові домени". Цей перехід був обумовлений квантуванням спонтанних магнітних потоків спрямованих в протилежні сторони всередині мейснеровском доменів при досягненні критичного, для даного надпровідника, значення магнітного поля.
Малюнок 3. Знімки з допомогою магнітно-силової мікроскопії (розмір карт 8х8 мікрон) зразка при різних температурах. На ілюстрації D зображений звичайне вихровий стан з вихорів Абрикосова при Tfm <T <Tc, що генерується зовнішнім магнітним полем, властивим всім надпровідників другого роду, на зображенні E - стан мейснеровському доменів, на зображенні F - стан вихрових доменів. Схеми в нижньому ряду ілюструють ті ж випадки; js позначений надпровідний струм, а M - магнітний момент. Зображення зі статті дослідників.
Змінюючи в процесі експерименту температуру, вчені змогли простежити за переходом зразка з однієї фази в іншу.
Малюнок 4. Зразок в процесі охолодження. Жовтими стрілками показано зародження і переміщення пари вихор-антівіхрь; дослідники відзначають, що це відбувається в місцях, де до цього відзначалася деяка неоднорідність - або вже був вихор, або Y-образна "розвилка" в магнітних мейснеровском доменах. Зображення авторів дослідження.
За словами Василя Столярова, заступника керівника лабораторії топологічних квантових явищ в надпровідних системах МФТІ і першого автора статті: «Вперше в світі ми продемонстрували, що відбувається на поверхні недавно відкритих феромагнітних надпровідників. Вперше були виявлені так звані "мейснеровському домени", а також фазовий перехід від "мейснеровському доменів" до "вихровим доменів" - це відбувається, коли в мейснеровському доменах починають зароджуватися спонтанні пари вихорів і анти-вихорів Абрикосова, компенсуючі екранують струми Мейсснера в сусідніх доменах . Спонтанне зародження пар вихорів і анти-вихорів Абрикосова в однорідному надпровіднику раніше ніким виявлено не було, хоча, їх можливе існування, було передбачено теоретично і побічно з електронно-транспортних досліджень.
Наші результати відкривають нову сторінку в сучасній фізиці надпровідності, вони дають ґрунт для майбутніх фундаментальних теоретичних і експериментальних досліджень процесів, що протікають в надпровідниках на атомному масштабі. Ми готуємо ряд наукових статей по проведеним дослідженням на такого типу матеріалах, і дана публікація є першою в своєму роді ».
Дослідник додав, що перехід матеріалу з однієї фази в іншу можна використовувати для управління процесами всередині надпровідника. Зокрема, це явище може допомогти управляти вихорами Абрикосова в кристалі і створювати окремі пари вихор-антівіхрь - що може бути використано при розробці електронних пристроїв на основі гібридних надпровідних матеріалів.
