На фото: Рассеяние рентгеновских лучей на исследуемом кристалле/ Фото от S. Ran et al. / Science. Группа физиков смогла впервые зафиксировать уникальное явление, которое возникает при переходе в сверхпроводящее состояние соединения дителлурида урана UTe2, генерирующее при этом магнитное поле, хотя само вещество не обладает магнитным порядком вне этой фазы. Данное открытие, опубликованное в журнале Science, имеет огромный потенциал для развития квантовых компьютеров. Сверхпроводимость – это такое квантовое явление, которое проявляющется при понижении температуры некоторых веществ до состояния с нулевым электрическим сопротивлением. Существуют различные типы сверхпроводников. Простейшие из них – чистые металлы, которые демонстрируют подобное поведение вблизи абсолютного нуля, и их свойства успешно описываются теорией Бардина–Купера–Шриффера (БКШ). Существует обширная и неоднородная группа нетипичных сверхпроводников, для которых полноценного теоретического описания пока не предложено.
Исследование этих веществ относится к одной из основных и самых активных областей физики конденсированного состояния, так как большинство сверхпроводников с рекордно высокими критическими температурами являются именно нетипичными. Отсутствие всеобъемлющей теории не позволяет систематически искать вещества со все лучшими параметрами, приближаясь к крайне желаемому в технологическом смысле сверхпроводнику с критической температурой выше нуля градусов по Цельсию при обычном давлении.
Одним из наиболее необычных сверхпроводников являются ферромагнитные сверхпроводники, для которых свойственно сосуществование этой квантовой фазы вещества и собственного магнитного поля. Такая комбинация вызывает интерес, так как в обычной ситуации вещества в таком состоянии выталкивают магнитное поле из собственного объема, оно мешает появлению сверхпроводимости и полностью препятствует ее возникновению выше критического значения. Еще одной особенностью является то, что большинство известных ферромагнитных сверхпроводников — это соединения урана, такие как UGe2, URhGe и UCoGe.
Как и во многих других «нетрадиционных» случаях, общая теория ферромагнитной сверхпроводимости пока не создана. Физики пытались по-разному описать это явление, но в последнее время наибольшее развитие получила гипотеза триплетной сверхпроводимости.
Считается, что любая сверхпроводимость связана со способностью групп электронов объединяться, что позволяет им терять фермионную сущность и приобретать свойства бозонов. В результате на них перестает действовать принцип запрета Паули, и они все могут занять наинизшее энергетическое состояние, в котором перемещаются без рассеяния на кристаллической решетке. В обычных сверхпроводниках, описываемых теорией БКШ, электроны с противоположными спинами объединяются по двое, то есть формируют куперовские пары, которые являются бозонами с нулевым спином — синглетом. Триплетная сверхпроводимость предполагает, что возможно спаривание электронов с однонаправленными спинами, что порождает три возможных собственных состояния со спином равным единице.
В статье под руководством Николаса Буча (Nicholas Butch) из Национального института стандартов и технологий США и его американских коллег описаны свойства нового соединения урана, в котором подозревают сверхпроводимость по триплетному механизму, — дителлурида урана UTe2. Как и другие ферромагнитные сверхпроводники, UTe2 исключительно устойчив к магнитному полю и выходит из квантового состояния только при полях свыше 40 тесла (примерно в миллион раз мощнее поля Земли), в то время как для чистых веществ критическое поле, как правило, не выше одного тесла и только для сложных соединений из класса YBCO требуются более сильные поля.
Однако UTe2 уникален сразу по нескольким параметрам: для него характерна существенно более высокая критическая температура, чем у других ферромагнитных сверхпроводников (1,6 кельвина против не более 0,8), и, что более важно, в обычном состоянии он является парамагнетиком, а не ферромагнетиком как все другие. Парамагнетик отличается от ферромагнетика отсутствием магнитного порядка и, следовательно, отсутствием собственного магнитного поля. Если нагреть ферромагнетик выше точки Кюри, то тепловые флуктуации не позволят установиться магнитному порядку и вещество станет парамагнетиком. Изученное соединение урана обладает магнитным порядком только вместе с сверхпроводимостью.
Получается, что UTe2 в норме не обладает собственной намагниченностью, в нем только в присутствии внешнего поля может возникать наведенная, но в сверхпроводящей фазе у него появляется собственное поле. Авторы считают, что UTe2 демонстрирует подходящие свойства для построения некоторых типов квантовых компьютеров. В частности, способность сохранять сверхпроводящее состояние в присутствии внешнего магнитного поля должно обеспечивать устойчивость к ошибкам в случае использования UTe2 в качестве материала для сверхпроводящих кубитов.
Недавно физики увидели топологическую сверхпроводимость в материале на основе железа и нашли в новом сверхпроводнике на основе селенида висмута необычный магнитный эффект. Отдельный интерес в контексте сверхпроводимости представляет графен — например оказалось, что квантовым состоянием сверхрешетки из трехслойного графена можно управлять.
Сверхпроводимость против ферромагнетизма — сыграли вничью
Схематическое изображение зарождения пары вихрь-антивихрь под воздействием спонтанных экранирующих (мейснеровских) токов при понижении температуры ниже критической температуры ферромагнитного перехода. Жирные стрелки показывают направление векторов намагниченности, а тонкие стрелки (в сечении обозначенные как кружок с крестом и кружок с кружком внутри) обозначают направление тока
Российские физики из МФТИ совместно с иностранными коллегами провели пионерские экспериментальные исследования вещества, одновременно сочетающего свойства сверхпроводника и ферромагнетика. Ученые представили и аналитическое решение, описывающее уникальные фазовые превращения в таких ферромагнитных сверхпроводниках. Работа опубликована в журнале Science Advances.
Ферромагнитные сверхпроводники
Международная группа исследователей изучила монокристаллическое соединение на основе европия, железа и мышьяка, допированного фосфором, — EuFe₂(As0.79P0.21)₂. Данный кристалл при охлаждении до 24 Кельвинов (−249,15 °С) становится сверхпроводником и полностью утрачивает электрическое сопротивление. Кроме того, при дальнейшем охлаждении ниже 18 К это же соединение демонстрирует ферромагнитные свойства: в частности, проявляет спонтанную намагниченность в отсутствие внешнего магнитного поля (как железо, из которого делают постоянные магниты).
Самое удивительное, что ферромагнетизм при этом не разрушает сверхпроводимость. Такое сосуществование магнетизма и сверхпроводимости давно привлекает внимание как теоретиков, так и ученых, занятых поиском перспективных материалов для обычной и сильноточной, рассчитанной на управление очень большими токами, электроники.
С теоретической точки зрения ферромагнитные сверхпроводники интересны тем, что в разных диапазонах температур проявляют разные свойства. Не вдаваясь подробно в теорию сверхпроводимости, отметим, что обычные сверхпроводники формально являются идеальными диамагнетиками: на их поверхности под действием внешнего магнитного поля возникают экранирующие токи, которые создают противоположно направленный внешнему магнитному полю магнитный момент. Таким образом, магнитное поле внутрь сверхпроводника не проникает. Магнитные свойства веществ тесно связаны с их электрическими характеристиками, поэтому «не такие» сверхпроводники оказались в фокусе внимания ученых: их изучение позволяет лучше понять природу сверхпроводимости как макроскопического квантового явления. А может помочь и при создании пока кажущихся фантастическими сверхпроводников, работающих при температурах, близких к комнатной.
В ферромагнитных же веществах при температуре ниже точки Кюри естественным образом возникает структура из намагниченных участков (доменов). Точка Кюри — температура, ниже которой вещество проявляет ферромагнитные свойства. Если ферромагнетик нагреть сильнее, его структура перестраивается и он перестает намагничиваться. Это свойство позволяет создавать различные полезные устройства, которые оперируют намагниченностью для хранения и обработки информации. Магнитофонная лента и жесткий диск компьютера — пожалуй, самые известные примеры. 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.
Структура кристаллической решетки исследованного соединения. Розовыми сферами обозначены атомы мышьяка и фосфора, синими — атомы европия, а желтыми — железа
Новая фаза Мейснера
Для получения информации о том, что происходит на поверхности изучаемого кристалла, ученые использовали методы магнитно-силовой микроскопии. Магнитно-силовая микроскопия позволяет получить карту пространственного распределения магнитного поля вблизи поверхности образца с высоким разрешением и таким образом увидеть при различных температурах 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 К (то есть чуть ниже точки Кюри), в нем обнаружилась новая фаза, проявляющаяся в виде «мейснеровских доменов».
Эффект Мейснера-Оксенфельда — выталкивание внешнего магнитного поля при переходе в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводник сопротивляется проникновению силовых линий магнитного поля в объем материала. В результате внешнее магнитное поле генерирует в тонком приповерхностном слое вещества сверхпроводящие (мейснеровские) токи.
В данном исследовании экспериментально было обнаружено существование новой фазы эффекта Мейснера — «мейснеровских доменов» (периодическая структура, обусловленная спонтанными мейснеровскими токами, генерируемыми в результате экранирования внутренней магнитной подсистемы атомов европия) и последующей трансформации 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.
Снимки с помощью магнитно-силовой микроскопии (размер карт 8х8 микрон) образца при разных температурах. На иллюстрации D изображено обычное вихревое состояние из вихрей Абрикосова при Tfm<T<Tc, генерируемое внешним магнитным полем, присущим всем сверхпроводникам второго рода, на картинке E — состояние мейснеровских доменов, на картинке F — состояние вихревых доменов. Схемы в нижнем ряду иллюстрируют те же случаи; js обозначен сверхпроводящий ток, а M — магнитный момент. Изображение из статьи исследователей
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 уже имелся вихрь, либо Y-образная «развилка» в магнитных мейснеровских доменах. Изображение авторов исследования
Результаты прокомментировал Василий Столяров, заместитель руководителя лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ и первый автор статьи: «Впервые в мире мы продемонстрировали, что происходит на поверхности недавно открытых ферромагнитных сверхпроводников. Впервые были обнаружены так называемые «мейснеровские домены», а также фазовый переход от «мейснеровских доменов» к «вихревым доменам» — это происходит, когда в мейснеровских доменах начинают зарождаться спонтанные пары вихрей и антивихрей Абрикосова, компенсирующие экранирующие токи Мейснера 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. 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 проведенным исследованиям на такого типа материалах, и данная публикация является первой в своем роде».
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.
Авторы: Тимур Кешелава,
Источник: https://nplus1.ru/, https://zanauku.mipt.ru/
