Superledning og ferromagnetisme bekæmper en jævn match

Russiske fysikere fra MIPT gik sammen med udenlandske kolleger til en banebrydende eksperimentel undersøgelse af et materiale, der besidder både superledende og ferromagnetiske egenskaber. I deres papir offentliggjort i Videnskab fremskridt , forskerne foreslår også en analytisk løsning, der beskriver de unikke faseovergange i sådanne ferromagnetiske superledere.

Ferromagnetiske superledere

Det internationale forskerhold undersøgte en monokrystallinsk forbindelse af europium, jern, og arsen, dopet med fosfor med formlen EuFe ₂ (Som _0,79 P _0,21 ) ₂ . Når den er afkølet til 24 kelvin, eller −249,15 grader Celsius, dette materiale udviser nul elektrisk modstand, at blive en superleder. Hvis afkølet yderligere, under 18 K, den erhverver ferromagnetiske egenskaber. I særdeleshed, den undergår spontan magnetisering ved nulpåført magnetfelt, som jern, som bruges til at lave permanente magneter.

Bemærkelsesværdigt, ferromagnetisme ødelægger ikke i dette tilfælde superledning. Denne sameksistens mellem magnetisme og superledning har længe været et objekt af interesse for både teoretiske fysikere og forskere, der undersøger nye materialer med potentiale for anvendelser inden for konventionel og højstrøms elektronik.

Fra et teoretisk synspunkt, ferromagnetiske superledere er interessante, da materialer udviser forskellige egenskaber i forskellige temperaturområder. I modsætning til dem, konventionelle superledere er perfekte diamagnetiske. Det er, magnetiske felter trænger ikke ind i dem, fordi et eksternt felt inducerer screeningsstrømme på overfladen af ​​superlederen. Disse strømme resulterer i et magnetisk moment, der modvirker det ydre felt.

Materialers magnetiske og elektriske egenskaber er indbyrdes forbundne, så tiltrak de "særegne" ferromagnetiske superledere forskernes opmærksomhed. Ved at undersøge dem, det er muligt at bedre forstå arten af ​​superledning som et makroskopisk kvantefænomen. Måske kunne denne forskningslinje endda kaste lys over udsigterne for superledere, der ville fungere nær stuetemperatur, som indtil nu tilsyneladende falder ind i fantasiens område.

I ferromagnetiske materialer, magnetiseringerne af de bestanddelte partikler flugter spontant under en bestemt temperatur, kaldte Curie -punktet. Dette resulterer i dannelsen af ​​ensartet magnetiserede områder kaldet domæner, hvis samspil bestemmer materialets samlede magnetfelt. Over Curie -temperaturen, den magnetiske rækkefølge går tabt.

Ferromagneter bruges i branchen til at fremstille forskellige enheder, der lagrer eller behandler information kodet i magnetiserede medier. Kendte eksempler på magnetisk lagring er harddiske, optagelsesbånd, og magnetstriber på kreditkort.

Sameksistensen af ​​ferromagnetisme og superledelse kan have potentiale fra et praktisk synspunkt. Imidlertid, at udvikle teknologiske anvendelser af denne kombination af materialegenskaber, ingeniører og fysikere skal forstå processerne i ferromagnetiske superledere mere detaljeret.

Ny Meissner -fase

For at finde ud af, hvad der sker på overfladen af ​​den krystal, der blev undersøgt i undersøgelsen, forskerne brugte et magnetisk kraftmikroskop. Det gjorde dem i stand til at oprette et 3D-kort i høj opløsning, der viser fordelingen af ​​magnetfeltet nær overfladen af ​​prøven ved forskellige temperaturer. Når materialet var afkølet under dets Curie -punkt, eller omkring 18 K, kortet afslørede magnetiske domæner. Ved 19-24 K, kortet viser Abrikosov virvler, som er et karakteristisk træk ved superledere. Udover, holdet afslørede en ny fase, der findes lidt under Curie -punktet, mellem 17,8 og 18,25 K, og manifesterer sig som Meissner -domæner.

Meissner-Ochsenfeld-effekten refererer til udvisning af et magnetfelt fra en superleder under dets overgang til den superledende tilstand. Materialet modstår at blive trængt ind af de eksterne magnetfeltlinjer. Som resultat, det ydre magnetfelt fremkalder superledende Meissner -strømme i et tyndt lag materiale tæt på overfladen af ​​prøven.

Forfatterne til forskningen, der er rapporteret i denne historie, har eksperimentelt opdaget en ny fase af Meissner -effekten - kaldet Meissner -domæner - og observeret dens transformation til "hvirveldomæner". Forestillingen om et Meissner -domæne refererer til den periodiske struktur som følge af de spontane Meissner -strømme, der genereres på grund af screeningen af ​​det interne magnetiske undersystem af europiumatomer. Overgangen er en konsekvens af, at de modsatte orienterede spontane magnetiske fluxoner i Meissner -domæner kvantiseres, når et kritisk magnetfelt for den givne superleder er nået.

Ved at variere temperaturen i løbet af deres eksperiment, forskerne sporede prøvens overgang fra en fase til en anden.

Vasily Stolyarov, medforfatter af papiret, kommenterede resultaterne af undersøgelsen:"For første gang nogensinde, vi har vist, hvad der sker på overfladen af ​​de nyligt opdagede ferromagnetiske superledere. Dette er den første observation af såkaldte Meissner-domæner og overgangen fra Meissner-domæner til hvirveldomæner, som opstår, når vortex-antivortex-par spontant genereres i Meissner-domæner, modvirke screeningen af ​​Meissner -strømme i nabodomænerne. Den spontane generation af Abrikosov vortex-antivortex-par i en homogen superleder er ikke blevet observeret før, på trods af at dette fænomen forudsiges teoretisk og indirekte ud fra forskning i elektrontransport. "

"Vores fund baner nye veje i den moderne fysik i superledning, "siger Stolyarov, der er souschef for MIPT's Laboratory of Topological Quantum Phenomena in Superconducting Systems. "Resultaterne af undersøgelsen lægger grundlaget for fremtidig grundlæggende teoretisk og eksperimentel forskning i processerne i superledere i atomskalaen. Vi forbereder en række papirer, der beskriver vores forskning i lignende materialer, og denne publikation er den første af sin art. "

Fysikeren tilføjede, at faseovergangen undersøgt i undersøgelsen kunne bruges til at kontrollere processer, der forekommer i superlederen. I særdeleshed, dette fænomen kan hjælpe med at kontrollere Abrikosov-hvirvler i krystallen og danne enkelt vortex-antivortex-par, som er nyttig til udvikling af elektronik baseret på hybrid superledende materialer.