Сверхпроводимость и магнетизм — антагонисты: сильное магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние, а сверхпроводники “выталкивают” магнитные силовые линии. Именно поэтому сверхпроводящие предметы могут левитировать в магнитном поле. Теперь ученые из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН обнаружили, что эти противоположности могут сходиться: сверхпроводник EuRbFe4As4 может демонстрировать магнитные свойства, не теряя сверхпроводимости, что открывает новые возможности для создания нового поколения вычислительных устройств на базе спинтронных элементов. Результаты исследования опубликована в журнале Nanomaterials.
«Раньше считалось, что сверхпроводимость и магнетизм это вода и огонь — они друг друга убивают. В этом слоистом соединении они не только живут вместе и расположены “через ряд”, являются соседями, но и внутри этого материала магнитное взаимодействие осуществляется через сверхпроводник. То есть магнитные слои, между которыми расположены сверхпроводящие, друг друга «чувствуют». При этом в каждом следующем слое направление спинов атомов европия повернуто на 90 градусов», — говорит ведущий автор исследования Кирилл Перваков, научный сотрудник Центра высокотемпературной сверхпроводимости и квантовых материалов имени В.Л. Гинзбурга ФИАН.
Явление сверхпроводимости было открыто более 100 лет назад, когда физики обнаружили, что при сверхнизких температурах некоторые материалы теряют сопротивление и проводят электрический ток без тепловых потерь. Сверхпроводники уже подарили человечеству высокоскоростные левитирующие поезда-маглевы, магнитно-резонансную томографию, ускорители частиц. Ученые рассчитывают, что в будущем сверхпроводящие элементы могут помочь создать электронные устройства на новых принципах.
С 1980-х годов известны так называемые магнитные сверхпроводники — это материалы, в которых при понижении температуры сначала возникает сверхпроводимость, а при последующем охлаждении появляется собственное магнитное поле. Однако при дальнейшем снижении температуры сверхпроводимость разрушается.
До недавнего времени температуры сверхпроводящего перехода в таких магнитных сверхпроводниках были довольно низкими и не превышали 10 градусов Кельвина. Но все изменилось в 2008 году с открытием сверхпроводников на основе железа и мышьяка, которые назвали соединениями 122 типа. В таких соединениях критическая температура сверхпроводящего перехода находилась в диапазоне от 26 до 57 градусов Кельвина. Внутри этого класса в 2016 году были обнаружены соединения с общей формулой AeAFe4As4, где Ae = Ca, Sr, Ba, Eu и A = K, Rb, Cs, которые условно называют соединениями 1144 типа.
Перваков и его коллеги исследовали соединения типа AEuFe4As4 (A = Rb, Cs), содержащие европий, в которых температура магнитного перехода ниже температуры сверхпроводящего перехода.
Модели кристаллической структуры 1144 (слева) и 122 (справа)На первом этапе ученые вырастили монокристалл из рубидия, европия, железа и мышьяка с формулой EuRbFe4As4. Для того, чтобы при работе материалы не окислялись, их в перчаточном боксе в атмосфере аргона закладывают в ниобиевые контейнеры и герметично заваривают, затем обрабатывают при температуре 800-900 градусов Цельсия. В результате получились монокристаллы размером до 5 миллиметров. При комнатной температуре они не обладают ни сверхпроводимостью, ни магнетизмом.
Затем исследователи изучили атомную структуру кристаллов, и выяснили, что внутри у них есть двумерные нановключения из RbFe2As2, - соединения 122 типа, которые не являются сверхпроводящими до 2 градусов Кельвина.
Изображение поперечных слоев EuRbFe4As4 в просвечивающем электронном микроскопеДалее ученые охлаждали полученные кристаллы и смотрели, как материал проявляет свои сверхпроводящие и магнитные свойства. Для этого они создавали слабое внешнее магнитное поле и с помощью магнитных датчиков, замеряя отклик магнитной системы, оценивали магнитную восприимчивость образца.
Они обнаружили, что монослой с рубидием RbFe2As2 является планарным двухмерным дефектом, на котором закрепляются так называемые вихри Абрикосова - зоны, в которых магнитное поле образует локальные цилиндрические центры «нормального» проводника, по поверхности которых протекает незатухающий сверхпроводящий ток. Это закрепление вихрей похоже на то, как, когда появляются первые льдинки, которые еще не видно в воде, потоки воды огибают их и «цепляются» за них.
Кроме того, по мере уменьшения температуры ученые наблюдали переход материала в сверхпроводящее состояние и эффект Мейсснера - левитации сверхпроводника в магнитном поле - при температуре 36 градусов Кельвина. Далее при 15 градусах Кельвина возникает магнетизм — происходит магнитное упорядочение спинов европия. То есть до магнитного упорядочения они были повернуты в произвольно, а ниже этой температуры они все выстраиваются в одном направлении, в каждом слое с европием. Подобным образом ведет себя магнитный порошок, когда выстраивается вдоль линий магнитного поля, попадая в него.
«Мы видим, что в одном соединении сверхпроводимость даже помогает магнетизму в какой-то мере. Можно сказать, что это такой самоупорядоченный аналог гетероструктуры. Раньше предлагались гетероструктуры на основе магнитных материалов и сверхпроводников, но они были объемные: пленка одного, потом пленка другого. И вот так чередовались. Это объемные материалы. А здесь это прямо внутри соединения, естественным образом выстроено: один слой сверхпроводящий, другой слой магнитный», — говорит Кирилл Перваков.
Причем от слоя к слою это направление меняется на 90 градусов — первый слой направлен вправо, следующий от нас, следующий влево и так далее. Но при этом, так как упорядочение каждого слоя направлено в разные стороны, то каждые два слоя, расположенные через один, компенсируют друг друга и в итоге общее внешнее магнитного поле становится равно нулю. Этот эффект сохраняется при понижении температуры вплоть до 2 градусов Кельвина.
«То, что они поворачиваются от слоя к слою, это значит, что они друг друга «чувствуют», взаимодействуют. А чувствовать они могут друг друга только через сверхпроводник, через сверхпроводящую плоскость. И это довольно интересно, такое нечасто встретишь. В данном случае это дает возможность попробовать поуправлять спинами европия через сверхпроводимость», — рассказывает Кирилл Перваков.
Результаты исследования открывают перед учеными новое направление теоретических и экспериментальных исследований. А также, возможно, найдут применение при разработке новых сверхпроводящих устройств для спинтроники. Кроме того, выявленная связь между условиями, которые приводили к возникновению магнитного упорядочения, позволит лучше изучить и управлять состояниями сверхпроводников.