Ryska fysiker från MIPT slog sig ihop med utländska kollegor för en banbrytande experimentell studie av ett material som har både supraledande och ferromagnetiska egenskaper. I deras tidning publicerad i Vetenskapens framsteg , forskarna föreslår också en analytisk lösning som beskriver de unika fasövergångarna i sådana ferromagnetiska supraledare.

Ferromagnetiska supraledare

Det internationella forskarteamet studerade en monokristallin förening av europium, järn, och arsenik, dopad med fosfor med formeln EuFe ₂ (Som _0,79 P _0,21 ) ₂ . När den svalnat till 24 kelvin, eller -249,15 grader Celsius, detta material uppvisar noll elektriskt motstånd, bli en supraledare. Om den kyls ytterligare, under 18 K, den får ferromagnetiska egenskaper. Särskilt, den genomgår spontan magnetisering vid noll pålagt magnetfält, som järn, som används för att göra permanentmagneter.

Anmärkningsvärt, ferromagnetism förstör inte i detta fall supraledning. Denna samexistens av magnetism och supraledning har länge varit ett objekt av intresse för både teoretiska fysiker och forskare som undersöker nya material med potential för tillämpningar inom konventionell och högströmselektronik.

Ur en teoretisk synvinkel, ferromagnetiska supraledare är intressanta eftersom material uppvisar distinkta egenskaper i olika temperaturområden. Till skillnad från dem, konventionella supraledare är perfekta diamagneter. Det är, magnetiska fält tränger inte in i dem, eftersom ett externt fält inducerar avskärmningsströmmar på supraledarens yta. Dessa strömmar resulterar i ett magnetiskt moment som motverkar det yttre fältet.

Materialens magnetiska och elektriska egenskaper är sammankopplade, så de "märkliga" ferromagnetiska supraledarna väckte forskarnas uppmärksamhet. Genom att undersöka dem, det är möjligt att bättre förstå karaktären av supraledning som ett makroskopiskt kvantfenomen. Kanske skulle denna forskningslinje till och med kunna belysa utsikterna för supraledare som skulle fungera nära rumstemperatur, som hittills till synes faller inom fantasins rike.

I ferromagnetiska material, magnetiseringarna av de ingående partiklarna ligger spontant i linje under en viss temperatur, kallas Curie-punkten. Detta resulterar i bildandet av enhetligt magnetiserade områden som kallas domäner, vars samspel bestämmer materialets totala magnetfält. Över Curie-temperaturen, den magnetiska ordningen går förlorad.

Ferromagneter används inom industrin för att tillverka olika enheter som lagrar eller bearbetar information kodad i magnetiserade media. Bekanta exempel på magnetisk lagring är hårddiskar, inspelningsband, och magnetränder på kreditkort.

Samexistensen av ferromagnetism och supraledning kan ha potential ur praktisk synvinkel. Dock, att utveckla tekniska tillämpningar av denna kombination av materialegenskaper, ingenjörer och fysiker behöver förstå de processer som sker i ferromagnetiska supraledare mer i detalj.

Ny Meissner-fas

För att ta reda på vad som händer på ytan av kristallen som undersöktes i studien, forskarna använde ett magnetiskt kraftmikroskop. Det gjorde det möjligt för dem att skapa en högupplöst 3D-karta som visar fördelningen av magnetfältet nära provets yta vid olika temperaturer. När materialet väl kylts under Curie-punkten, eller cirka 18 K, kartan avslöjade magnetiska domäner. Vid 19-24 K, kartan visar Abrikosov virvlar, som är ett karakteristiskt drag hos supraledare. Förutom, teamet avslöjade en ny fas som finns något under Curie-punkten, mellan 17.8 och 18.25 K, och manifesterar sig som Meissner-domäner.

Meissner-Ochsenfeld-effekten hänvisar till utdrivningen av ett magnetfält från en supraledare under dess övergång till supraledande tillstånd. Materialet motstår att penetreras av de yttre magnetfältslinjerna. Som ett resultat, det externa magnetfältet inducerar supraledande Meissner-strömmar i ett tunt lager av material nära provets yta.

Författarna till forskningen som rapporteras i den här historien har experimentellt upptäckt en ny fas av Meissner-effekten – kallade Meissner-domäner – och observerat dess omvandling till "virveldomäner". Begreppet en Meissner-domän hänvisar till den periodiska strukturen som härrör från de spontana Meissner-strömmar som genereras på grund av screeningen av det interna magnetiska subsystemet av europiumatomer. Övergången är en konsekvens av att de motsatt orienterade spontana magnetiska flödena i Meissner-domäner kvantiseras när ett kritiskt magnetfält för den givna supraledaren har nåtts.

Genom att variera temperaturen under experimentets gång, forskarna spårade provets övergång från en fas till en annan.

Vasilij Stolyarov, en medförfattare till tidningen, kommenterade resultaten av studien:"För första gången någonsin, vi har visat vad som händer på ytan av de nyligen upptäckta ferromagnetiska supraledarna. Detta är den första observationen av så kallade Meissner-domäner och övergången från Meissner-domäner till virveldomäner, som uppstår när vortex-antivirvelpar spontant genereras i Meissner-domäner, motverka screening Meissner-strömmar i angränsande domäner. Den spontana genereringen av Abrikosov vortex-antivirvelpar i en homogen supraledare har inte observerats tidigare, trots att detta fenomen förutsägs teoretiskt och indirekt härleds från forskning om elektrontransport."

"Våra fynd bryter ny mark i den moderna fysiken av supraledning, säger Stolyarov, som är biträdande chef för MIPT:s Laboratory of Topological Quantum Phenomena in Superconducting Systems. "Resultaten av studien lägger grunden för framtida grundläggande teoretisk och experimentell forskning om de processer som sker i supraledare på atomär skala. Vi förbereder en serie artiklar som beskriver vår forskning om liknande material, och denna publikation är den första i sitt slag."

Fysikern tillade att fasövergången som undersöktes i studien kunde användas för att kontrollera processer som inträffar i supraledaren. Särskilt, detta fenomen kan hjälpa till att kontrollera Abrikosovvirvlar i kristallen och bilda enkla virvel-antivirvelpar, vilket är användbart för att utveckla elektronik baserad på hybrid supraledande material.