Forskare från Frankrike och Ryssland har erbjudit en teoretisk förklaring till beteendet hos ett nyligen upptäckt material som kombinerar superledande och ferromagnetiska egenskaper. Den nya teoretiska modellen förutspår också hittills obemärkta effekter i material av detta slag. Studien publicerades i Fysiska granskningsbrev .

Ferromagnetism och supraledning är, på ett sätt, två motsatta tendenser som till synes inte kan samexistera i en kristall. Verkligen, en superledare rymmer en elektrisk ström med noll motstånd. När den placeras i ett magnetfält, ett sådant material driver ut det fältet från sin bulk i det som kallas Meissner -effekten. Däremot, en ferromagnet magnetiseras och bär därmed ett magnetfält i sin bulk. Det verkar, därför, att ett material inte samtidigt kan uppvisa supraledning och ferromagnetism.

Dock, europiumbaserade föreningar har nyligen framträtt som fokus för forskningens uppmärksamhet, när observationer visade att de samtidigt kunde uppvisa ferromagnetism och supraledning. Förutom dess betydelse för grundvetenskap, samexistensen av dessa två fenomen i ett material erbjuder spännande möjligheter för enhetsdesign. Den håller löftet om supraledande spintronics, det är, enheter som arbetar med information som kodas av snurr, utan förlust.

En vanlig kylmagnet är ett exempel på en ferromagnet vars så kallade Curie-punkt ligger över rumstemperatur. Under den kritiska temperaturen, ett ferromagnetiskt material magnetiseras på grund av den parallella inriktningen av det inneboende magnetiska momentet, eller snurrar, av yttre skalelektroner. Det kan verka kontraintuitivt, men nere i mikroskopisk skala, naturen hos denna spontana ordning är elektrisk snarare än magnetisk:Coulomb -interaktionsenergin hos elektronerna i en ferromagnet är lägre för parallellspinnkonfigurationen. Som ett resultat, varje snurr kan anses vara bosatt i ett genomsnitt, eller byta, fält som genereras av de andra snurrarna.

Varför ferromagnetism förstör supraledning

Det finns två mekanismer som förmedlar interaktionen mellan superledande elektroner och magnetiska moment. Nämligen, den elektromagnetiska och den utbytbara.

Förutspås 1956 av Vitaly Ginzburg, den elektromagnetiska mekanismen innebär screening av Meissner -strömmar. Som nämnts ovan, ett externt magnetfält tränger inte in i huvuddelen av en superledare. För att kompensera det externa fältet i bulk, silningsströmmar löper längs superledarens yta. Genereringen av sådana strömmar får energin att öka. Om det yttre fältet är starkare än ett visst kritiskt värde, den tillförda energin på grund av silningsströmmarna överstiger kondensationsenergin. Det blir mer gynnsamt för superledaren att övergå till normaltillstånd och släppa in fältet i massan. Eftersom typiska magnetiseringar i ferromagneter är mycket högre än superkonduktors kritiska fält, homogen ferromagnetism förstör supraledning.

Utbytesmekanismen innebär ett samspel mellan en ferromagnetens utbytesfält och elektronerna som möjliggör supraledning. Dessa är faktiskt bundna tillstånd för två elektroner med motsatta moment och snurr, kallade Cooper -par. Utbytesfältet tenderar att rikta in elektronspinnarna parallellt med varandra, förstör Cooper -par och därmed supraledning. Detta är känt som den paramagnetiska effekten.

Hur ferromagnetism kan samexistera med supraledning

Det visar sig att ett material samtidigt kan uppvisa de ferromagnetiska och supraledande egenskaperna, förutsatt att en av de beordrade staterna är ojämn. Verkligen, ett icke -enhetligt fält screenas i mindre utsträckning. Detta innebär att en ojämn magnetisk struktur inte kommer att förstöra supraledning via den elektromagnetiska mekanismen. Med endast hänsyn till utbytesinteraktionen, framväxten av icke -enhetlig magnetisk struktur i supraledande tillstånd förutspåddes redan 1959. Perioden för denna struktur är mycket mindre än den karaktäristiska storleken på ett Cooper -par. Som ett resultat, i skala med ett Cooper -par, det genomsnittliga utbytesfältet minskar, och när ferromagnetism dyker upp, det förstör inte supraledning. När temperaturen sjunker, vid något tillfälle når utbytesfältet den paramagnetiska gränsen, och då är supraledning borta. Tyvärr, för alla tidigare kända ferromagnetiska supraledare, temperaturfönstret som rymmer samtidig ferromagnetism och supraledningsförmåga var endast cirka 0,1 kelvin.

"Den tidiga forskningen om icke -enhetlig magnetism i ferromagnetiska supraledare beaktade bara den elektromagnetiska interaktionen. Men det visade sig snart att detta inte var tillämpligt på något känt material då:Utbytesinteraktionen var alltid dominerande. Detta ledde till en tillfällig avstängning av forskningen med fokus på den elektromagnetiska mekanismen, "sade medförfattare Zhanna Devizorova från MIPT Laboratory of Optoelectronics for 2-D Materials.

Nya möjligheter öppnades när europiumbaserade ferromagnetiska supraledare blev tillgängliga. En fosfor-dopad förening av europium, järn, och arsenik med formeln EuFe ₂ Som ₂ är ett exempel. Det som gör detta material anmärkningsvärt är att den paramagnetiska effekten som förstör supraledning är starkt undertryckt i den, och den elektromagnetiska interaktionen dominerar. Anledningen till detta är att ferromagnetism i P-dopad EuFe ₂ Som ₂ tillhandahålls av de lokaliserade elektronerna från 4f -skalen av europiumatomer, medan supraledning förmedlas av järns 5d -ledningselektroner. I denna förening, europiumatomerna är placerade på ett sådant sätt att elektronerna som är ansvariga för supraledning är relativt oberoende av de som är ansvariga för ferromagnetism. De två delsystemen är praktiskt taget autonoma. Detta resulterar i ett mycket svagt utbytesfält som verkar på ledningselektronerna.

Den paramagnetiska effektundertryckningen i EuFe ₂ Som ₂ betyder att ferromagnetism och supraledning samsas vid ett ganska brett temperaturintervall. Det är således ett utmärkt material för experimentell forskning om de exotiska faserna som uppstår på grund av den elektromagnetiska mekanismens dominans och uppvisar dessa två distinkta ordningar samtidigt. Till exempel, förra året använde ett team av experimentella fysiker från MIPT och på andra håll det materialet för att visualisera den magnetiska strukturen i sådana faser med hjälp av magnetisk kraftmikroskopi.

Nu, dessa experimentella data har kvalitativt förklarats av en teori som lagts fram i studien som rapporterats här. Dess författare visar hur den icke-enhetliga magnetiska strukturen med en sinusformad magnetiseringsprofil gradvis omvandlas till en domänstruktur när temperaturen sjunker. Denna så kallade Meissner-domänstruktur observerades experimentellt i EuFe ₂ Som ₂ mellan 17,8-18,25 kelvin. Konstruktionstiden visade sig vara väsentligt mindre än för en vanlig ferromagnet. Detta härrör från effekten av supraledning.

Ytterligare kylning utlöser en första ordnings övergång till det ferromagnetiska virveltillståndet som kännetecknas av samexisterande Abrikosovvirvlar och ferromagnetiska domäner. Teamet beräknade parametrarna för denna övergång. I en superledare, en virvel är en enhet med ett magnetfält i kärnan. Det skärms från utsidan av Meissner -strömmar. Forskarna visade att storleken på domänerna i virveltillståndet är i stort sett densamma som i ett vanligt ferromagnetiskt material. Teorin som föreslås i studien förutsäger också en ny effekt:domänväggarna som rymmer Abrikosovvirvlar vinkelrätt mot virvlarna i domänerna.

"Vi utvecklade en teori om icke -enhetliga magnetiska tillstånd i ferromagnetiska supraledare, där den elektromagnetiska interaktionen mellan supraledning och ferromagnetism dominerar, "Devizorova tillagd." Förutom att kvalitativt beskriva de senaste experimentella uppgifterna om sådana tillstånd i EuFe ₂ Som ₂ , vi förutspår en ny effekt, som nu kan testas experimentellt. "

Vid denna tidpunkt, studien faller inom grundvetenskapens område. Dock, genom att förstå samspelet mellan ferromagnetism och supraledning, hybridanordningar kan designas senare, som skulle använda både supraledande och ferromagnetiska material och vara praktiskt för spintronik.