Russische natuurkundigen van MIPT werkten samen met buitenlandse collega's voor een baanbrekende experimentele studie van een materiaal dat zowel supergeleidende als ferromagnetische eigenschappen bezit. In hun paper gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , de onderzoekers stellen ook een analytische oplossing voor die de unieke faseovergangen in dergelijke ferromagnetische supergeleiders beschrijft.

Ferromagnetische supergeleiders

Het internationale onderzoeksteam bestudeerde een monokristallijne verbinding van europium, ijzer, en arseen, gedoteerd met fosfor met de formule EuFe ₂ (Als _0,79 P _0,21 ) ₂ . Eenmaal afgekoeld tot 24 kelvin, of −249,15 graden Celsius, dit materiaal vertoont geen elektrische weerstand, supergeleider worden. Indien verder afgekoeld, onder 18 K, het verwerft ferromagnetische eigenschappen. Vooral, het ondergaat spontane magnetisatie bij nul toegepast magnetisch veld, zoals ijzer, die wordt gebruikt om permanente magneten te maken.

Opmerkelijk, ferromagnetisme vernietigt in dit geval de supergeleiding niet. Dit naast elkaar bestaan ​​van magnetisme en supergeleiding is lange tijd een onderwerp van interesse geweest voor zowel theoretische fysici als onderzoekers die nieuwe materialen onderzoeken die mogelijk kunnen worden toegepast in conventionele en hoogstroomelektronica.

Vanuit een theoretisch standpunt, ferromagnetische supergeleiders zijn interessant als materialen met verschillende eigenschappen in verschillende temperatuurbereiken. In tegenstelling tot hen, conventionele supergeleiders zijn perfecte diamagnetisch. Dat is, magnetische velden dringen er niet in door, omdat een extern veld schermstromen op het oppervlak van de supergeleider induceert. Deze stromen resulteren in een magnetisch moment dat het externe veld tegengaat.

De magnetische en elektrische eigenschappen van materialen zijn met elkaar verbonden, dus de "eigenaardige" ferromagnetische supergeleiders trokken de aandacht van wetenschappers. Door ze te onderzoeken, het is mogelijk om de aard van supergeleiding als een macroscopisch kwantumfenomeen beter te begrijpen. Misschien zou deze onderzoekslijn zelfs licht kunnen werpen op de vooruitzichten van supergeleiders die zouden werken bij kamertemperatuur, die tot nu toe schijnbaar in het rijk van de fantasie vallen.

In ferromagnetische materialen, de magnetisaties van de samenstellende deeltjes spontaan uitlijnen onder een bepaalde temperatuur, het Curie-punt genoemd. Dit resulteert in de vorming van uniform gemagnetiseerde gebieden die domeinen worden genoemd, waarvan het samenspel het totale magnetische veld van het materiaal bepaalt. Boven de Curietemperatuur, de magnetische ordening gaat verloren.

Ferromagneten worden in de industrie gebruikt om verschillende apparaten te maken die informatie opslaan of verwerken die is gecodeerd in gemagnetiseerde media. Bekende voorbeelden van magnetische opslag zijn harde schijven, opname band, en magnetische strepen op creditcards.

Het naast elkaar bestaan ​​van ferromagnetisme en supergeleiding zou vanuit praktisch oogpunt potentieel kunnen hebben. Echter, technologische toepassingen van deze combinatie van materiaaleigenschappen te ontwikkelen, ingenieurs en natuurkundigen moeten de processen die plaatsvinden in ferromagnetische supergeleiders beter begrijpen.

Nieuwe Meissner-fase

Om erachter te komen wat er gebeurt op het oppervlak van het kristal dat in het onderzoek is onderzocht, de onderzoekers gebruikten een magnetische krachtmicroscoop. Het stelde hen in staat een 3D-kaart met hoge resolutie te maken die de verdeling van het magnetische veld nabij het oppervlak van het monster bij verschillende temperaturen laat zien. Nadat het materiaal was afgekoeld tot onder het Curie-punt, of ongeveer 18 K, de kaart onthulde magnetische domeinen. Bij 19-24 K, de kaart toont Abrikosov draaikolken, die kenmerkend zijn voor supergeleiders. Daarnaast, het team onthulde een nieuwe fase die iets onder het Curie-punt bestaat, tussen 17,8 en 18,25 K, en manifesteert zich als Meissner-domeinen.

Het Meissner-Ochsenfeld-effect verwijst naar de verdrijving van een magnetisch veld uit een supergeleider tijdens de overgang naar de supergeleidende toestand. Het materiaal is bestand tegen penetratie door de externe magnetische veldlijnen. Als resultaat, het externe magnetische veld induceert supergeleidende Meissner-stromen in een dunne laag materiaal dicht bij het oppervlak van het monster.

De auteurs van het onderzoek dat in dit verhaal wordt beschreven, hebben experimenteel een nieuwe fase van het Meissner-effect ontdekt - Meissner-domeinen genaamd - en de transformatie ervan in 'vortex-domeinen' waargenomen. De notie van een Meissner-domein verwijst naar de periodieke structuur die het resultaat is van de spontane Meissner-stromen die worden gegenereerd als gevolg van de screening van het interne magnetische subsysteem van europium-atomen. De overgang is een gevolg van het feit dat de tegengesteld georiënteerde spontane magnetische fluxons in Meissner-domeinen worden gekwantiseerd zodra een kritisch magnetisch veld voor de gegeven supergeleider is bereikt.

Door de temperatuur in de loop van hun experiment te variëren, de onderzoekers volgden de overgang van het monster van de ene fase naar de andere.

Vasili Stolyarov, een co-auteur van het artikel, commentaar op de resultaten van de studie:"Voor de eerste keer ooit, we hebben laten zien wat er gebeurt op het oppervlak van de recent ontdekte ferromagnetische supergeleiders. Dit is de eerste waarneming van zogenaamde Meissner-domeinen en de overgang van Meissner-domeinen naar vortexdomeinen, die optreedt wanneer vortex-antivortex-paren spontaan worden gegenereerd in Meissner-domeinen, het tegengaan van de afschermende Meissner-stromen in de aangrenzende domeinen. De spontane Abrikosov-vortex-antivortex-paargeneratie in een homogene supergeleider is niet eerder waargenomen, ondanks dat dit fenomeen theoretisch en indirect wordt voorspeld uit onderzoek naar elektronentransport."

"Onze bevindingen zijn baanbrekend in de moderne fysica van supergeleiding, " zegt Stolyarov, die plaatsvervangend hoofd is van MIPT's Laboratory of Topological Quantum Phenomena in Superconducting Systems. "De resultaten van de studie leggen de basis voor toekomstig fundamenteel theoretisch en experimenteel onderzoek naar de processen die plaatsvinden in supergeleiders op atomaire schaal. We bereiden een reeks artikelen voor waarin ons onderzoek naar vergelijkbare materialen wordt beschreven, en deze publicatie is de eerste in zijn soort."

De fysicus voegde eraan toe dat de faseovergang die in het onderzoek is onderzocht, kan worden gebruikt om processen die plaatsvinden in de supergeleider te regelen. Vooral, dit fenomeen kan Abrikosov-wervelingen in het kristal helpen beheersen en enkele vortex-antivortex-paren vormen, wat handig is voor het ontwikkelen van elektronica op basis van hybride supergeleidende materialen.