Физики из Университета Бата открыли новый механизм, позволяющий сосуществовать магнетизму и сверхпроводимости в одном и том же материале. До сих пор ученые могли только догадываться, как возможно такое необычное сосуществование.
Это открытие может привести к применению в технологиях экологически чистой энергии и разработке сверхпроводящих устройств, таких как компьютерное оборудование следующего поколения.
Как правило, сверхпроводимость и магнетизм плохие соседи, потому что выравнивание крошечных электронных магнитных частиц в ферромагнетиках обычно приводит к разрушению электронных пар, ответственных за сверхпроводимость.
Несмотря на это, исследователи обнаружили, что сверхпроводник на основе железа RbEuFe4As4, который является сверхпроводником при температуре ниже -236 ° C, проявляет как сверхпроводимость, так и магнетизм при температуре ниже -258 ° C.
«В некоторых материалах есть состояние, при котором, если они действительно холодны — значительно холоднее, чем в Антарктике — они становятся сверхпроводящими. Но чтобы эта сверхпроводимость была перенесена на следующий уровень, на уровне приложений материал должен демонстрировать сосуществование с магнитными свойствами. Это позволило бы нам разрабатывать устройства, работающие на магнитном принципе, такие как магнитная память и вычисления с использованием магнитных материалов, чтобы также пользоваться преимуществами сверхпроводимости», — говорит Дэвид Колломб, руководивший исследованием.
«Проблема в том, что сверхпроводимость обычно теряется при включении магнетизма. На протяжении многих десятилетий ученые пытались исследовать множество материалов, которые обладают двумя свойствами в одном материале, и исследователи материалов недавно добились определенного успеха. Однако до тех пор, пока мы не поймем, почему возможно сосуществование, создание таких материалов проблематично».
«Это новое исследование дает нам материал с широким температурным диапазоном, в котором эти явления сосуществуют, и это позволит нам более подробно и детально изучить взаимодействие между магнетизмом и сверхпроводимостью. Надеюсь, это приведет к тому, что мы сможем определить механизм, посредством которого может происходить такое сосуществование».
В исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, ученые изучили необычное поведение RbEuFe4As4, создав карты магнитного поля сверхпроводящего материала при понижении температуры. К своему удивлению, они обнаружили, что вихри (точки в сверхпроводящем материале, куда проникает магнитное поле) демонстрируют заметное расширение вблизи температуры -258 ° C, что указывает на сильное подавление сверхпроводимости при включении магнетизма.
Эти наблюдения согласуются с теоретической моделью, которая описывает подавление сверхпроводимости магнитными флуктуациями из-за атомов европия (Eu) в кристаллах.
Здесь магнитное направление каждого атома Eu начинает колебаться и выравниваться с другими, когда температура материала опускается ниже определенной температуры. Это заставляет материал становиться магнитным. Исследователи из Бата пришли к выводу, что, хотя сверхпроводимость значительно ослабляется магнитным эффектом, она не разрушается полностью — сверхпроводимость и магнетизм сосуществуют.
«Это говорит о том, что в нашем материале магнетизм и сверхпроводимость удерживаются отдельно друг от друга в своих собственных подрешетках, которые лишь минимально взаимодействуют», — сказал Дэвид Колломб.
«Эта работа значительно продвигает наше понимание редких сосуществующих явлений и может привести к возможным применениям в сверхпроводящих устройствах будущего. Это приведет к более глубокому поиску материалов, которые демонстрируют как сверхпроводимость, так и магнетизм. Мы надеемся, что это также побудит исследователей к тому, чтобы взять некоторые из этих материалов и сделать из них вычислительные устройства следующего поколения».
«Надеюсь, что научное сообщество постепенно войдет в эпоху, когда мы перейдем от исследований к созданию устройств из этих материалов. Примерно через десять лет мы можем увидеть прототипы устройств, использующих эту технологию, которые будут выполнять настоящую работу».
Соавторами этого проекта были Аргоннская национальная лаборатория (Argonne National Laboratory), Университет Хофстра (Hofstra University) и Северо-Западный университет (Northwestern University).