Onderzoekers uit Frankrijk en Rusland hebben een theoretische verklaring gegeven voor het gedrag van een recent ontdekt materiaal dat supergeleidende en ferromagnetische eigenschappen combineert. Het nieuwe theoretische model voorspelt ook tot nu toe niet-waargenomen effecten in dit soort materialen. De studie is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Ferromagnetisme en supergeleiding zijn, op een manier, twee tegengestelde tendensen die schijnbaar niet naast elkaar kunnen bestaan ​​in één kristal. Inderdaad, een supergeleider herbergt een elektrische stroom zonder weerstand. Wanneer geplaatst in een magnetisch veld, zo'n materiaal verdrijft dat veld uit zijn bulk in wat bekend staat als het Meissner-effect. Daarentegen, een ferromagneet is gemagnetiseerd en draagt ​​dus een magnetisch veld in zijn bulk. Het zou blijken, daarom, dat een materiaal niet tegelijkertijd supergeleiding en ferromagnetisme kan vertonen.

Echter, op europium gebaseerde verbindingen zijn onlangs naar voren gekomen als de focus van onderzoeksaandacht, toen observaties aantoonden dat ze tegelijkertijd ferromagnetisme en supergeleiding konden vertonen. Naast het belang ervan voor de fundamentele wetenschap, het naast elkaar bestaan ​​van deze twee fenomenen in één materiaal biedt intrigerende mogelijkheden voor het ontwerpen van apparaten. Het houdt de belofte in van supergeleidende spintronica, dat is, apparaten die werken met informatie gecodeerd door spins, zonder dissipatie.

Een gewone koelkastmagneet is een voorbeeld van een ferromagneet waarvan het zogenaamde Curiepunt boven kamertemperatuur ligt. Beneden die kritische temperatuur, een ferromagnetisch materiaal wordt gemagnetiseerd vanwege de parallelle uitlijning van de intrinsieke magnetische momenta, of draait, van elektronen in de buitenste schil. Het lijkt misschien contra-intuïtief, maar op microscopische schaal, de aard van deze spontane ordening is eerder elektrisch dan magnetisch:de Coulomb-interactie-energie van de elektronen in een ferromagneet is lager voor de parallelle spinconfiguratie. Als resultaat, elke spin kan worden beschouwd als woonachtig in een gemiddelde, of ruilen, veld gegenereerd door de andere spins.

Waarom ferromagnetisme supergeleiding verpest?

Er zijn twee mechanismen die de interactie tussen supergeleidende elektronen en magnetische momenten bemiddelen. Namelijk, de elektromagnetische en de uitwisseling.

Voorspeld in 1956 door Vitaly Ginzburg, het elektromagnetische mechanisme omvat het screenen van Meissner-stromen. Zoals hierboven vermeld, een extern magnetisch veld dringt niet door in het grootste deel van een supergeleider. Om het externe veld in de bulk te compenseren, schermstromen lopen langs het oppervlak van de supergeleider. Door het opwekken van dergelijke stromen neemt de energie toe. Als het externe veld sterker is dan een bepaalde kritische waarde, de toegevoegde energie als gevolg van de schermstromen overschrijdt de condensatie-energie. Het wordt gunstiger voor de supergeleider om over te gaan naar de normale toestand en het veld in de bulk toe te laten. Aangezien typische magnetisaties in ferromagneten veel hoger zijn dan de kritische velden van supergeleiders, homogeen ferromagnetisme vernietigt supergeleiding.

Het uitwisselingsmechanisme omvat een wisselwerking tussen het uitwisselingsveld van een ferromagneet en de elektronen die supergeleiding mogelijk maken. Dit zijn eigenlijk gebonden toestanden van twee elektronen met tegengestelde impulsen en spins, Cooper-paren genoemd. Het uitwisselingsveld heeft de neiging om de elektronenspins parallel aan elkaar uit te lijnen, het vernietigen van Cooper-paren en dus supergeleiding. Dit staat bekend als het paramagnetische effect.

Hoe ferromagnetisme kan samengaan met supergeleiding

Het blijkt dat een materiaal tegelijkertijd de ferromagnetische en supergeleidende eigenschappen kan vertonen, op voorwaarde dat een van de geordende staten niet-uniform is. Inderdaad, een niet-uniform veld wordt in mindere mate gescreend. Dit betekent dat een niet-uniforme magnetische structuur de supergeleiding niet zal vernietigen via het elektromagnetische mechanisme. Alleen rekening houdend met de uitwisselingsinteractie, de opkomst van een niet-uniforme magnetische structuur in de supergeleidende toestand werd al in 1959 voorspeld. De periode van deze structuur is veel kleiner dan de karakteristieke grootte van een Cooper-paar. Als resultaat, op de schaal van een Cooper-paar, het gemiddelde ruilveld neemt af, en wanneer ferromagnetisme opduikt, het bederft de supergeleiding niet. Naarmate de temperatuur daalt, op een gegeven moment bereikt het uitwisselingsveld de paramagnetische limiet, en dan is de supergeleiding weg. Helaas, voor alle eerder bekende ferromagnetische supergeleiders, het temperatuurvenster voor gelijktijdig ferromagnetisme en supergeleiding was slechts ongeveer 0,1 kelvin.

"Het vroege onderzoek naar niet-uniform magnetisme in ferromagnetische supergeleiders hield alleen rekening met de elektromagnetische interactie. al snel bleek dat dit niet van toepassing was op enig materiaal dat toen bekend was:de uitwisselingsinteractie was altijd dominant. Dit leidde tot een tijdelijke stopzetting van het onderzoek gericht op het elektromagnetische mechanisme, " studie co-auteur Zhanna Devizorova van het MIPT Laboratory of Optoelectronics for 2-D Materials zei.

Er deden zich nieuwe kansen voor toen op europium gebaseerde ferromagnetische supergeleiders beschikbaar kwamen. Een met fosfor gedoteerde verbinding van europium, ijzer, en arseen met de formule EuFe ₂ Als ₂ is een voorbeeld. Wat dit materiaal opmerkelijk maakt, is dat het paramagnetische effect dat de supergeleiding vernietigt er sterk in wordt onderdrukt, en de elektromagnetische interactie domineert. De reden hiervoor is dat ferromagnetisme in P-gedoteerde EuFe ₂ Als ₂ wordt geleverd door de gelokaliseerde elektronen van de 4f-schillen van europiumatomen, terwijl supergeleiding wordt gemedieerd door 5d-geleidingselektronen van ijzer. In deze verbinding, de europium-atomen zijn zo gepositioneerd dat de elektronen die verantwoordelijk zijn voor supergeleiding relatief onafhankelijk zijn van de elektronen die verantwoordelijk zijn voor ferromagnetisme. De twee subsystemen zijn vrijwel autonoom. Dit resulteert in een zeer zwak uitwisselingsveld dat inwerkt op de geleidingselektronen.

De paramagnetische effectonderdrukking in EuFe ₂ Als ₂ betekent dat ferromagnetisme en supergeleiding naast elkaar bestaan ​​in een vrij breed temperatuurbereik. Het is dus een uitstekend materiaal voor experimenteel onderzoek naar de exotische fasen die ontstaan ​​door de dominantie van het elektromagnetische mechanisme en deze twee verschillende ordeningen tegelijkertijd vertonen. Bijvoorbeeld, vorig jaar gebruikte een team van experimentele natuurkundigen van MIPT en elders dat materiaal om de magnetische structuur van dergelijke fasen te visualiseren met behulp van magnetische krachtmicroscopie.

Nutsvoorzieningen, deze experimentele gegevens zijn kwalitatief verklaard door een theorie die in het hier gerapporteerde onderzoek naar voren is gebracht. De auteurs laten zien hoe de niet-uniforme magnetische structuur met een sinusoïdaal magnetisatieprofiel geleidelijk verandert in een domeinachtige structuur naarmate de temperatuur daalt. Deze zogenaamde Meissner-domeinstructuur werd experimenteel waargenomen in EuFe ₂ Als ₂ tussen 17,8-18,25 Kelvin. De periode van de structuur bleek aanzienlijk kleiner dan die in een gewone ferromagneet. Dit komt voort uit de impact van supergeleiding.

Verdere afkoeling veroorzaakt een overgang van de eerste orde naar de ferromagnetische vortextoestand die wordt gekenmerkt door naast elkaar bestaande Abrikosov-wervels en ferromagnetische domeinen. Het team berekende de parameters van deze overgang. In een supergeleider, een vortex is een entiteit met een magnetisch veld in de kern. Het wordt van buitenaf afgeschermd door Meissner-stromingen. De onderzoekers toonden aan dat de grootte van de domeinen in de vortextoestand vrijwel gelijk is aan die in een regulier ferromagnetisch materiaal. De in de studie voorgestelde theorie voorspelt ook een nieuw effect:de domeinwanden herbergen Abrikosov-wervelingen loodrecht op de wervels in de domeinen.

"We ontwikkelden een theorie van niet-uniforme magnetische toestanden in ferromagnetische supergeleiders, waarin de elektromagnetische interactie tussen supergeleiding en ferromagnetisme domineert, "Devizorova toegevoegd. "Naast het kwalitatief beschrijven van de recente experimentele gegevens over dergelijke toestanden in EuFe ₂ Als ₂ , we voorspellen een nieuw effect, die nu experimenteel kan worden getest."

Op dit punt, de studie valt in het rijk van de fundamentele wetenschap. Echter, door het samenspel tussen ferromagnetisme en supergeleiding te begrijpen, hybride apparaten kunnen later worden ontworpen, die zowel supergeleidende als ferromagnetische materialen zou gebruiken en handig zou zijn voor spintronica.