Впервые экспериментально получен переход внутри ферромагнитного сверхпроводника
Структура кристаллической решетки исследованного соединения. Розовыми сферами обозначены атомы мышьяка и фосфора, синими — атомы европия, а желтыми — железа.
© Пресс-служба МФТИ
Физики провели экспериментальные исследования вещества, сочетающего в себе свойства сверхпроводника и ферромагнетика. Кроме этого, они представили аналитическое решение, которое описывает уникальные фазовые превращения в таких ферромагнитных сверхпроводниках. Работа опубликована в журнале Science Advances.
Обычные сверхпроводники «не пускают» внутрь магнитное поле: его экранируют возникающие на их поверхности электрические токи, которые появляются благодаря внешнему магнитному полю. В ферромагнитных же веществах при температуре ниже определенной точки естественным образом возникает структура из намагниченных участков (доменов). Такая точка называется точкой Кюри. Если ферромагнетик нагреть сильнее, его структура перестраивается, вследствие чего он перестает намагничиваться. Это свойство позволяет создавать различные полезные устройства, которые оперируют намагниченностью для хранения и обработки информации. Самые известные их примеры — это магнитофонная лента и жесткий диск компьютера. 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.
Международная группа ученых при участии сотрудников МФТИ взялась исследовать монокристаллическое соединение на основе европия, железа и мышьяка, допированного фосфором EuFe2(As0,79P0,21)2. Этот кристалл при охлаждении до температуры 24 кельвина (—249,15 ℃) становится сверхпроводником и полностью утрачивает электрическое сопротивление. Кроме того, при дальнейшем охлаждении ниже 18 кельвинов это соединение демонстрирует ферромагнитные свойства, в частности проявляет спонтанную намагниченность в отсутствии внешнего магнитного поля (как железо, из которого делают постоянные магниты). Ферромагнетизм при этом не разрушает сверхпроводимость.
Чтобы получить информацию о том, что происходит на поверхности изучаемого кристалла, ученые использовали методы магнитно-силовой микроскопии (МСМ). Она позволяет получить карту пространственного распределения магнитного поля вблизи поверхности образца с высоким разрешением и увидеть как магнитные домены (при температуре ниже точки Кюри, ~18 К), так и характерные для сверхпроводника вихри Абрикосова (19–24 К). Кроме того, когда образец имел температуру в диапазоне 17,8–18,25 К (чуть ниже точки Кюри), в нем обнаружилась новая фаза, которая появилась в виде «мейсснеровских доменов». Это периодическая структура, которая обусловлена спонтанными мейсснеровскими токами, которые образуются в результате экранирования внутренней магнитной подсистемы атомов европия.
Существование этих доменов физики обнаружили экспериментально, кроме того, они наблюдали и последующую их трансформацию в «вихревые домены». Этот переход был обусловлен квантованием спонтанных магнитных потоков направленных в противоположные стороны внутри мейсснеровских 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.
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 вихрь, либо Y-образная «развилка» в магнитных «мейсснеровских доменах»
© Vasily S. Stolyarov et al.
«Впервые в мире мы продемонстрировали, что происходит на поверхности недавно открытых ферромагнитных сверхпроводников, — комментирует первый автор статьи Василий Столяров, научный сотрудник МФТИ. — Впервые были обнаружены так называемые "мейсснеровские домены", а также фазовый переход от "мейсснеровских доменов" к "вихревым доменам". Это происходит, когда в мейсснеровских доменах начинают зарождаться спонтанные пары вихрей и антивихрей Абрикосова, компенсирующие экранирующие токи Мейсснера 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».
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.
Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.
Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.