В Российской Федерации ученые-физики добились исключительно большого успеха в экспериментальном изучении уникального материала, демонстрирующего одновременно поведение сверхпроводника и ферромагнетика. Помимо этого, ими также было предложено математическое описание, которое позволило объяснить необычные изменения состояний в подобных ферромагнитно – сверхпроводящих соединениях. Исследование зафиксировано в публикации журнала Science Advances. Традиционные сверхпроводники блокируют проникновение магнитного поля, создавая на своей поверхности защитные токовые вихри под воздействием внешнего источника. В ферромагнитных материалах, напротив, ниже критической температуры формируются области с упорядоченной ориентацией магнитных моментов – так называемые домены. Эта температура известна как точка Кюри. При повышении температуры материал теряет свои магнитные свойства вследствие изменения структуры.

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.

Чтобы получить его, международная группа ученых с участием сотрудников МФТИ взялась исследовать монокристаллическое соединение на основе европия, железа и мышьяка, допированного фосфором EuFe₂(As_0,79P_0,21)₂. Этот кристалл при охлаждении до температуры 24 Кельвин (—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 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 тем самым увидеть 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 Кельвин (то есть чуть ниже точки Кюри), в нем обнаружилась новая фаза, которая появилась в виде «мейсснеровских доменов». Это периодическая структура, которая обусловлена спонтанными мейснеровскими 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 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.

«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 анти-вихрей Абрикосова, компенсирующие экранирующие токи Мейсснера в соседних доменах. Спонтанное зарождение пар вихрей и анти-вихрей 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.

Источник: http://www.nanonewsnet.ru/