Физики обнаружили, что в сверхпроводниках на основе арсенида железа, у которых сверхпроводящие свойства появляются из антиферромагнитного состояния, при температурах значительно выше критической в тетрагональной кристаллической структуре возможно возникновение ромбических возмущений. В будущем возможность возникновения таких возмущений поможет связать между собой спиновые, магнитные и сверхпроводящие свойства этих материалов и объяснить их необычные свойства, пишут ученые Nature Communications.

Сверхпроводящие свойства сверхпроводников на основе арсенидов железа непосредственно связаны с возникновением магнитного порядка в кристалле. Из-за взаимодействия спинов электронов как между собой, так и с атомами кристаллической решетки, в таких материалах возможно образование большого количества фаз с тремя типами свойств — сверхпроводимостью, магнетизмом и возникновением анизотропной нематической структуры, при которой спины электронов выстраиваются в цепочки и образуют анизотропную структуру. Подробнее о сверхпроводящих материалах на основе арсенидов железа и возникающих в них фазовых переходах можно прочитать в нашем материале «Ниже критической температуры». Интересно, что несмотря на взаимосвязь магнитного порядка, спиновой структуры и сверхпроводящих свойств, в общем случае переход в каждое из возможных состояний происходит при своей температуре. Эти материалы были открыты сравнительно недавно, поэтому точные механизмы перестройки кристаллической и спиновой структуры в них до конца не изучены.

Чтобы более детально изучить процессы, которые определяют фазовые переходы в таких сверхпроводниках, ученые из США, Китая и Германии под руководством Пэнчэна Дая (Pengcheng Dai) из Университета Райса с помощью метода рассеяния нейтронов исследовали фазовую диаграмму материала состава NaFe1−xNixAs. В экспериментах ученые изменяли температуру и состав кристаллов и следили за структурой кристаллической решетки и упорядочением спинов электронов.

Образцы исследованных сверхпроводников на основе арсенида железа с различным содержанием никеля. Rice University

Как и для других материалов это класса сверхпроводников, для исследованного соединения характерно наличие антиферромагнитного и сверхпроводящего состояния. Переход в каждую из них происходит при своей температуре: при охлаждении сначала достигается температура Нееля TN (при которой материал приобретает магнитный порядок и переходит из парамагнитного состояния в антиферромагнитное), а затем при критической температуре TC около −255 градусов Цельсия электроны образуют куперовские пары, и кристалл становится сверхпроводником.

Возможность магнитного перехода в этих материалах связана с тем, что еще до него (при температуре TS ≥ TN) происходит смена кристаллической структуры с тетрагональной (в которой элементарная ячейка имеет форму прямоугольного параллелепипеда, у которого по двум измерениям стороны одинаковые, а по третьему — отличается) на ромбическую (с ячейкой тоже в форме прямоугольного параллелепипеда, но у которого уже все три стороны — разные по длине).

Кристаллическая структура магнитной фазы исследованного материала и схематическое изображение структурных и фазовых переходов в кристалле при понижении температуры. Weiyi Wang et al./ Nature Communications, 2018

Известно также, что кроме этих трех фазовых переходов, при понижении температуры также происходит постепенное возникновение анизотропной нематической спиновой структуры, которая в дальнейшем влияет и на магнитный, и на сверхпроводящий переходы. Считалось, что нематический фазовый переход непосредственно связан с нарушением симметрии при смене типа кристаллической структуры. Однако результаты проведенных экспериментов показали, что при относительно высоких температурах, когда кристалл еще находится в тетрагональном состоянии, в решетке могут возникать небольшие возмущения. Появление этих возмущений приводит к локальному нарушению симметрии и появлению в тетрагональной решетке небольших ромбических областей. Оказалось, что эти возмущения влияют и на возникновение нематической спиновой структуры. По словам физиков, обычно процесс возникновения упорядоченной структуры спинов конкурирует с появлением куперовских пар, необходимых для образования сверхпроводящего состояния, однако в данном случае эти флуктуации спиновой структуры изменяют температурную зависимость фазовых переходов и помогают кристаллу стать стать сверхпроводником.

Ученые отмечают, что обнаруженные возмущения кристаллической структуры наблюдаются не только в кристаллах с небольшим содержанием никеля, для которого характерны все три типа фазовых переходов (структурный, магнитный и сверхпроводящий), но и в соединениях, в которых никеля больше 1,2 процента, хотя в них вообще не наблюдается структурный переход (и соответственно, нет магнитной фазы), но возможно образование сверхпроводящего состояния. При этом, однако, в сверхпроводящем состоянии все эти возмущения полностью подавляются.

Полученные данные авторам также удалось подтвердить с помощью компьютерного моделирования. Исследователи утверждают, что в будущем возможность возникновения ромбических флуктуаций в тетрагональном кристалле при относительно высоких температурах поможет более точно объяснить механизмы и причины возникновения сверхпроводящих свойств в материалах на основе арсенидов железа и связать эти свойства с изменениями нематической спиновой структуры.

Впервые возможность существования в этом классе материалов сверхпроводящего состояния без магнитного упорядочения физики обнаружили в прошлом году. C помощью нейтронной дифракции ученые обнаружили, что в сверхпроводнике состава ThFeAsN в окрестности критической температуры не происходит перестройки магнитной и кристаллической структуры.

Автор: Александр Дубов