Новый взгляд на ферромагнитный сверхпроводник

Российские физики создали теорию, описывающую сочетание в одном материале «несовместимых» свойств: ферромагнетизма и сверхпроводимости.

Ферромагнетизм и сверхпроводимость – важные свойства материалов, широко используемые в науке и технике. В ферромагнетиках ниже температуры, называемой точкой Кюри, возникают намагниченные области – домены, способные превратить данный материал в сильнейший магнит. В сверхпроводниках же при низких температурах из-за квантовых эффектов исчезает сопротивление электрическому току.

Долгое время считалось, что эти два свойства несовместимы. Ещё в 1933 году был открыт эффект Мейснера: сверхпроводник, помещённый в магнитное поле, полностью «выталкивает» его из себя. Так что внутри сверхпроводника не должно быть магнитного поля. При попытке же увеличить величину поля, сверхпроводимость материала пропадает. Так что достаточно сильное магнитное поле, создаваемое ферромагнетиками, казалось бы, должно разрушать сверхпроводящее состояние.

Однако в начале XXI века были открыты так называемые ферромагнитные сверхпроводники – вещества, одновременно сочетающие свойства сверхпроводника и ферромагнетика. Причём в одних при понижении температуры сначала возникало магнитное упорядочивание, а затем наступал переход в сверхпроводящее состояние, а в других – наоборот. Причины этого пока неясны, и решение этой проблемы – одна из самых интересных задач физики твердого тела. Это важно, как с фундаментальной точки зрения для лучшего понимания этих процессов, так и с практической – для создания устройств сверхпроводящей спинтроники, в которых носителем информации служит спин и нет потерь энергии.

Физики из МФТИ, Института физики микроструктур РАН (Нижний Новгород) и Университета Бордо (Франция) теоретически описали экспериментальное поведение такого материала — соединения европия, железа и мышьяка (EuFeAs), легированного фосфором (Р). Разработанная модель также предсказывает и ряд новых эффектов в подобных материалах. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Оказалось, что ферромагнетизм в EuFeAs обеспечивается электронами европия, а сверхпроводимость — электронами железа. При этом из-за особого положения атомов европия электроны проводимости слабо взаимодействуют с теми электронами, которые обеспечивают ферромагнетизм. Таким образом, эти две подсистемы практически независимы. Из-за этого ферромагнетизм и сверхпроводимость сосуществуют в EuFeAs в довольно широком диапазоне температур. Так что этот материал представляет собой уникальную платформу для экспериментального изучения этого явления.

В своей работе авторы опираются на исследование физиков МФТИ, которые совместно с зарубежными коллегами в прошлом году сумели экспериментально «видеть» магнитную структуру материала методом магнитной силовой микроскопии. Они обнаружили в нём необычную структуру из областей, которые назвали «мейснеровскими доменами». Особенности поведения материала связаны с тем, что в нём чередуются области с ферромагнитными и сверхпроводящими свойствами.

На данном этапе работа носит фундаментальный, теоретический характер. Однако понимание механизмов взаимодействия ферромагнетизма и сверхпроводимости может в дальнейшем помочь в создании новых типов устройств.