Teori forklarer ferromagnetisk superlederadfærd

Forskere fra Frankrig og Rusland har tilbudt en teoretisk forklaring på opførslen af ​​et nyligt opdaget materiale, der kombinerer superledende og ferromagnetiske egenskaber. Den nye teoretiske model forudsiger også hidtil uobserverede effekter i materialer af denne art. Undersøgelsen blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Ferromagnetisme og superledning er, på en måde, to modsatrettede tendenser, der tilsyneladende ikke kan sameksistere i en krystal. Ja, en superleder rummer en elektrisk strøm med nul modstand. Når det placeres i et magnetfelt, et sådant materiale uddriver dette felt fra dets bulk i det, der er kendt som Meissner -effekten. Derimod, en ferromagnet magnetiseres og bærer således et magnetfelt i sin bulk. Det ser ud til, derfor, at et materiale ikke samtidigt kan udvise superledning og ferromagnetisme.

Imidlertid, europium-baserede forbindelser er for nylig dukket op som fokus for forskningens opmærksomhed, når observationer viste, at de samtidigt kunne udvise ferromagnetisme og superledning. Udover dens betydning for grundvidenskab, sameksistensen af ​​disse to fænomener i ét materiale giver spændende muligheder for enhedsdesign. Det holder løftet om superledende spintronics, det er, enheder, der arbejder med oplysninger kodet af spins, uden spredning.

En almindelig køleskabsmagnet er et eksempel på en ferromagnet, hvis såkaldte Curie-punkt ligger over stuetemperatur. Under den kritiske temperatur, et ferromagnetisk materiale magnetiseres på grund af den parallelle justering af de iboende magnetiske momenta, eller spinder, af elektroner af ydre skal. Det kan virke kontraintuitivt, men nede i mikroskopisk skala, karakteren af ​​denne spontane ordning er elektrisk snarere end magnetisk:Coulomb -interaktionsenergien for elektronerne i en ferromagnet er lavere for parallel spin -konfigurationen. Som resultat, hvert spin kan betragtes som bosat i et gennemsnit, eller bytte, felt genereret af de andre spins.

Hvorfor ferromagnetisme ødelægger superledning

Der er to mekanismer, der medierer interaktionen mellem superledende elektroner og magnetiske øjeblikke. Nemlig, den elektromagnetiske og den udvekslende.

Forudsagt i 1956 af Vitaly Ginzburg, den elektromagnetiske mekanisme involverer screening af Meissner -strømme. Som anført ovenfor, et eksternt magnetfelt trænger ikke ind i hovedparten af ​​en superleder. For at kompensere det eksterne felt i bulk, screeningsstrømme løber langs overfladen af ​​superlederen. Genereringen af ​​sådanne strømme får energien til at stige. Hvis det eksterne felt er stærkere end en bestemt kritisk værdi, den tilføjede energi på grund af screeningsstrømmene overstiger kondensationsenergien. Det bliver mere fordelagtigt for superlederen at overgå til normal tilstand og tillade feltet i bulk. Da typiske magnetiseringer i ferromagneter er meget højere end superkonduktors kritiske felter, homogen ferromagnetisme ødelægger superledning.

Udvekslingsmekanismen involverer et samspil mellem en ferromagnets udvekslingsfelt og elektronerne, der muliggør superledelse. Disse er faktisk bundne tilstande for to elektroner med modsatte momenta og spins, kaldet Cooper -par. Udvekslingsfeltet har en tendens til at justere elektronspinsene parallelt med hinanden, ødelægger Cooper -par og derfor superledning. Dette er kendt som den paramagnetiske effekt.

Hvordan ferromagnetisme kan sameksistere med superledning

Det viser sig, at et materiale samtidigt kan udvise de ferromagnetiske og superledende egenskaber, forudsat at en af ​​de beordrede stater er ikke -ensartet. Ja, et ikke -ensartet felt screenes i mindre omfang. Det betyder, at en ikke -ensartet magnetisk struktur ikke vil ødelægge superledning via den elektromagnetiske mekanisme. Når der kun tages hensyn til udvekslingsinteraktionen, fremkomsten af ​​ikke -ensartet magnetisk struktur i den superledende tilstand blev forudsagt allerede i 1959. Perioden for denne struktur er langt mindre end den karakteristiske størrelse af et Cooper -par. Som resultat, i omfanget af et Cooper -par, det gennemsnitlige udvekslingsfelt falder, og når ferromagnetisme dukker op, det ødelægger ikke superledning. Når temperaturen falder, på et tidspunkt når udvekslingsfeltet den paramagnetiske grænse, og så er superledningen væk. Desværre, for alle tidligere kendte ferromagnetiske superledere, temperaturvinduet, der rummede samtidig ferromagnetisme og superledning, var kun ca. 0,1 kelvin.

"Den tidlige forskning om ikke -ensartet magnetisme i ferromagnetiske superledere betragtede kun den elektromagnetiske interaktion. Imidlertid, det viste sig hurtigt, at dette ikke var gældende for noget materiale kendt dengang:Udvekslingsinteraktionen var altid dominerende. Dette førte til en midlertidig suspension af forskningen med fokus på den elektromagnetiske mekanisme, "undersøgte medforfatter Zhanna Devizorova fra MIPT Laboratory of Optoelectronics for 2-D Materials.

Nye muligheder åbnede sig, når europium-baserede ferromagnetiske superledere blev tilgængelige. En fosfor-dopet forbindelse af europium, jern, og arsen med formlen EuFe ₂ Som ₂ er et eksempel. Det, der gør dette materiale bemærkelsesværdigt, er, at den paramagnetiske effekt, der ødelægger superledning, er stærkt undertrykt i det, og den elektromagnetiske interaktion dominerer. Årsagen til dette er, at ferromagnetisme i P-dopet EuFe ₂ Som ₂ leveres af de lokaliserede elektroner fra 4f -skallerne af europiumatomer, mens superledelse formidles af jerns 5d ledningselektroner. I denne forbindelse, europium -atomerne er placeret på en sådan måde, at elektronerne, der er ansvarlige for superledning, er relativt uafhængige af dem, der er ansvarlige for ferromagnetisme. De to undersystemer er stort set autonome. Dette resulterer i et meget svagt udvekslingsfelt, der virker på ledningselektronerne.

Den paramagnetiske effektundertrykkelse i EuFe ₂ Som ₂ betyder, at ferromagnetisme og superledelse sameksisterer i et temmelig bredt temperaturområde. Det er således et glimrende materiale til eksperimentel forskning i de eksotiske faser, der opstår på grund af dominansen af ​​den elektromagnetiske mekanisme og udviser disse to forskellige ordninger på samme tid. For eksempel, sidste år brugte et team af eksperimentelle fysikere fra MIPT og andre steder dette materiale til at visualisere den magnetiske struktur i sådanne faser ved hjælp af magnetisk kraftmikroskopi.

Nu, disse eksperimentelle data er blevet kvalitativt forklaret af en teori fremsat i undersøgelsen rapporteret her. Dets forfattere demonstrerer, hvordan den ikke-ensartede magnetiske struktur med en sinusformet magnetiseringsprofil gradvist omdannes til en domænetype, når temperaturen falder. Denne såkaldte Meissner-domæne struktur blev eksperimentelt observeret i EuFe ₂ Som ₂ mellem 17,8-18,25 kelvin. Konstruktionens periode viste sig at være væsentligt mindre end i en almindelig ferromagnet. Dette stammer fra virkningen af ​​superledning.

Yderligere afkøling udløser en førsteordens overgang til den ferromagnetiske hvirveltilstand, der er kendetegnet ved sameksisterende Abrikosov-hvirvler og ferromagnetiske domæner. Teamet beregnede parametrene for denne overgang. I en superleder, en hvirvel er en enhed med et magnetfelt i kernen. Det screenes udefra af Meissner -strømme. Forskerne viste, at størrelsen af ​​domænerne i hvirveltilstanden stort set er den samme som i et almindeligt ferromagnetisk materiale. Teorien foreslået i undersøgelsen forudsiger også en ny effekt:domænevæggene, der rummer Abrikosov -hvirvler vinkelret på hvirvlerne i domænerne.

"Vi udviklede en teori om ikke -ensartede magnetiske tilstande i ferromagnetiske superledere, hvor den elektromagnetiske vekselvirkning mellem superledning og ferromagnetisme dominerer, "Devizorova tilføjet." Udover kvalitativt at beskrive de seneste eksperimentelle data om sådanne tilstande i EuFe ₂ Som ₂ , vi forudsiger en ny effekt, som nu kan testes eksperimentelt. "

På dette tidspunkt, undersøgelsen falder ind i området for grundvidenskab. Imidlertid, ved at forstå samspillet mellem ferromagnetisme og superledning, hybrid -enheder kunne designes senere, som ville bruge både superledende og ferromagnetiske materialer og være praktisk til spintronics.