Физики провели экспериментальные исследования вещества, сочетающего в себе свойства сверхпроводника и ферромагнетика. Кроме этого они представили и аналитическое решение, которое описывает уникальные фазовые превращения в таких ферромагнитных сверхпроводниках. Работа опубликована в журнале Science Advances.

Обычные сверхпроводники «не пускают» внутрь магнитное поле: его экранируют возникающие на их поверхности электрические токи, которые появляются благодаря внешнему магнитному полю. В ферромагнитных же веществах при температуре ниже определенной точки естественным образом возникает структура из намагниченных участков (доменов). Такая точка называется точкой Кюри. Если ферромагнетик нагреть сильнее, его структура перестраивается и он перестает намагничиваться. Это свойство позволяет создавать различные полезные устройства, которые оперируют намагниченностью для хранения и обработки информации. Самые известные их примеры — это магнитофонная лента и жесткий диск компьютера. Сочетание сверхпроводимости и ферромагнетизма может быть перспективно с практической точки зрения, однако для целенаправленного поиска технологических решений инженерам и физикам нужно иметь детальное представление о процессах, происходящих в подобных системах.

Чтобы получить его, международная группа ученых с участием сотрудников МФТИ взялась исследовать монокристаллическое соединение на основе европия, железа и мышьяка, допированного фосфором EuFe₂(As_0,79P_0,21)₂. Этот кристалл при охлаждении до температуры 24 Кельвин (—249,15 ℃) становится сверхпроводником и полностью утрачивает электрическое сопротивление. Кроме того, при дальнейшем охлаждении ниже 18К это же соединение демонстрирует ферромагнитные свойства: в частности проявляет спонтанную намагниченность в отсутствии внешнего магнитного поля (как железо, из которого делают постоянные магниты). Ферромагнетизм при этом не разрушает сверхпроводимость.

Чтобы получить информацию о том, что происходит на поверхности изучаемого кристалла, ученые использовали методы магнитно-силовой микроскопии (МСМ). Она позволяет получить карту пространственного распределения магнитного поля вблизи поверхности образца с высоким разрешением и тем самым увидеть как магнитные домены (при температуре ниже точки Кюри, ~ 18 К), так и характерные для сверхпроводника вихри Абрикосова (при температуре 19–24 К). Кроме того, когда образец имел температуру в диапазоне 17,8 – 18,25 Кельвин (то есть чуть ниже точки Кюри), в нем обнаружилась новая фаза, которая появилась в виде «мейсснеровских доменов». Это периодическая структура, которая обусловлена спонтанными мейснеровскими токами, которые образуются в результате экранирования внутренней магнитной подсистемы атомов европия.

Существование этих доменов физики обнаружили экспериментально, кроме того они наблюдали и последующую их трансформацию в «вихревые домены». Этот переход был обусловлен квантованием спонтанных магнитных потоков направленных в противоположные стороны внутри мейснеровских доменов при достижении критического, для данного сверхпроводника, значения магнитного поля. Меняя в процессе эксперимента температуру, ученые смогли проследить за переходом образца из одной фазы в другую.

«Впервые в мире мы продемонстрировали, что происходит на поверхности недавно открытых ферромагнитных сверхпроводников, — комментирует первый автор статьи Василий Столяров, научный сотрудник МФТИ. — Впервые были обнаружены так называемые «мейсснеровские домены», а также фазовый переход от «мейсснеровских доменов» к «вихревым доменам». Это происходит, когда в мейсснеровских доменах начинают зарождаться спонтанные пары вихрей и анти-вихрей Абрикосова, компенсирующие экранирующие токи Мейсснера в соседних доменах. Спонтанное зарождение пар вихрей и анти-вихрей Абрикосова в однородном сверхпроводнике ранее никем обнаружено не было, хотя, их возможное существование, было предсказано теоретически и косвенно из электронно-транспортных исследований».

Исследователь добавил, что переход материала из одной фазы в другую можно использовать для управления процессами внутри сверхпроводника. В частности, это явление может помочь управлять вихрями Абрикосова в кристалле и создавать отдельные пары вихрь-антивихрь – что может быть использовано при разработке электронных устройств на основе гибридных сверхпроводящих материалов.

[На фото: Структура кристаллической решетки исследованного соединения. Розовыми сферами обозначены атомы мышьяка и фосфора, синими — атомы европия, а желтыми — железа. Пресс-служба МФТИ]