Физики обнаружили новое состояние ферромагнитных сверхпроводников.

Сверхпроводники и ферромагнетики по отдельности давно нашли широкое применение в науке и технике. А вот взаимодействие сверхпроводимости и ферромагнетизма в одном материале – одна из самых интересных проблем физики твердого тела. Дело в том, что достаточно сильное магнитное поле, которое создают ферромагнетики, разрушает сверхпроводящее состояние. Ферромагнитные сверхпроводники – вещества, одновременно сочетающие свойства сверхпроводника и ферромагнетика, были открыты лишь в начале XXI века. 

Снимки с помощью магнитно-силовой микроскопии (8х8 микрон) образца при разных температурах. D – обычное вихревое состояние из вихрей Абрикосова; E — состояние мейсснеровских доменов; F — состояние вихревых доменов. Схемы внизу иллюстрируют те же случаи; j

Схема зарождения пары вихрь — антивихрь под воздействием токов мейснеровских доменов. Жирные стрелки показывают направление векторов намагниченности, а тонкие стрелки (кружки с крестом и кружком внутри) – направление тока.

Образец в процессе охлаждения. Жёлтыми стрелками показано зарождение и перемещение пары вихрь — антивихрь.

Структура кристаллической решётки исследованного соединения. Розовыми сферами обозначены атомы мышьяка и фосфора, синими — атомы европия, а жёлтыми — железа.

Российские физики совместно с иностранными коллегами экспериментально исследовали ферромагнитный сверхпроводник, представляющий собой соединение европия, железа, мышьяка и фосфора EuFe₂(As_0.79P_0.21)₂. Особенность этого вещества в том, что при понижении температуры оно сначала приобретает сверхпроводящие свойства, а уже потом ферромагнитные. Сверхпроводящее состояние наступает при температуре 24 Кельвин (–249°С), а ферромагнитные свойства появляются при дальнейшем охлаждении ниже 19 К (–254°С). Точка Кюри – температура, при нагревании выше которой исчезают ферромагнитные свойства, находится между 18 и 19 К.

В сверхпроводящем состоянии внешнее магнитное поле порождает в тонком приповерхностном слое проводника токи, которые мешают проникновению магнитного поля внутрь материала. Сверхпроводник как бы выталкивает из себя магнитное поле. Это явление получило название эффект Мейсснера (Мейсснера–Оксенфельда). Соответственно эти токи часто называют мейсснеровскими. 

Ферромагнетики обладают способностью самопроизвольно (спонтанно) намагничиваться. При этом в них появляются области с разным направлением магнитного поля, получившие название доменов. Обычно мейсснеровские токи не имеют доменной структуры, то есть не разбиваются на области с различным протеканием. Однако благодаря сочетанию сверхпроводящих и ферромагнитных свойств при температуре образца в диапазоне 17,8–18,25 К (то есть чуть ниже точки Кюри), токи в нем приобретают доменную структуру в виде наноразмерных полосок. Исследователи назвали их мейсснеровскими доменами. Подобное состояние сверхпроводящего вещества, физики называют его фазой, ранее известно не было. По всей видимости, возникновение такой фазы связано с тем, что данный материал переходит к ферромагнитное состояние, уже находясь в сверхпроводящем состоянии.

При еще более низкой температуре, при достижении критического для данного сверхпроводника значения магнитного поля, система спонтанно генерирует квантовые пары вихрь-антивихрь сверхпроводящего тока (вихри Абрикосова) и переходит в доменное вихре-антивихревое состояние. Это происходит благодаря магнитным потокам, направленным в противоположные стороны внутри мейсснеровских доменов. Это явление также обнаружено впервые, хотя и было предсказано теоретически.

Для получения информации о том, что происходит вблизи поверхности изучаемого кристалла, физики использовали магнитно-силовую микроскопию. Измеряя силу, действующую на перемещаемый вдоль поверхности зонд (микромагнит в форме иглы), можно получить карту пространственного распределения магнитного поля с высоким разрешением и увидеть магнитные домены и вихри Абрикосова при различных температурах.

Результаты экспериментов опубликованы в журнале Science Advances. Первый автор статьи Василий Столяров (МФТИ) прокомментировал полученные результаты так: «Впервые в мире мы продемонстрировали, что происходит на поверхности недавно открытых ферромагнитных сверхпроводников. Впервые были обнаружены так называемые „мейсснеровские домены“, а также фазовый переход от „мейсснеровских доменов“ к „вихревым доменам“. 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 проведённым исследованиям на такого типа материалах, и данная публикация является первой в своем роде».

Сосуществование ферромагнетизма и сверхпроводимости давно привлекает внимание как теоретиков, так и исследователей, занятых поиском перспективных материалов для обычной и сильноточной, рассчитанной на управление очень большими токами электроники. 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.

С российской стороны в работе приняли участие исследователи из МФТИ, МИСиС, Института физики твердого тела РАН, МГУ и Казанского университета.

По материалам пресс-релиза МФТИ