В конце декабря у нашего ведущего ученого д.ф.-м.н. профессора заведующего кафедрой физики низких температур и сверхпроводимости МГУ им М.В. Ломоносова и руководителя проекта «Металлооксидные и полимер композитные термоэлектрики» в НИТУ «МИСиС» А.Н. Васильева в одном из самых авторитетных мировых научных журналов NATURE MATERIALS (импакт-фактор — 36.5) вышла статья Strong interplay between stripe spin fluctuations, nematicity and superconductivity in FeSe

Александр Николаевич Васильев как нам, так и пресс-службе МГУ предоставил пресс-релиз по этому эксперименту, в котором в научно-популярном формате рассказал о Cверхпроводимости и нематичности в селениде железа. В перспективе эта работа поможет создавать новые сверхпроводники, модифицировать имеющиеся и, возможно, сможет в далеком будущем заставить их работать в комнатных условиях, а это позволит на их основе создавать сверхпроводящие компьютеры. Данный пресс-релиз распространили практически все электронные СМИ. Но в тот же период у А.Н. Васильева вышла другая статья в журнале SCIENTIFIC REPORTS издательства Nature Publishing Group (импакт-фактор — 5.5) Enhanced critical current density in the pressure-induced magnetic state of the high-temperature superconductor FeSe в которой говорилось об увеличении плотности сверхпроводящего тока в магнитном состоянии FeSe. Так как данная статья осталась практически без внимания в нашем русско-язычном сегменте, а для Александра Николаевича и для физического сообщества она имеет большое значение, мы попросили его написать для нас эксклюзивное экспертное мнение по этой статье!

Критические плотности тока, Jc и Jf, в высокотемпературном сверхпроводнике FeSe

Все применения сверхпроводящих материалов предполагают сохранение состояния с нулевым сопротивлением при высоких температурах и высоких плотностях тока. Открытие высокотемпературных сверхпроводников на основе меди вызвало огромный интерес не только благодаря необычным аспектам сверхпроводимости, но и в связи с тем, что высокая температура сверхпроводящего перехода сулила новые революционные приложения при температурах, превышающих температуру кипения жидкого азота (~77 K). Ключевым моментом реализации технологического потенциала сверхпроводников является критическая плотность тока, при которой начинают двигаться линии магнитного потока (или вихри) и происходит диссипация энергии. В течение десятилетий, способы увеличения критической плотности тока опирались на создание искусственных дефектов. Из-за того, что вихри имеют нормальную сердцевину, они способны зацепляться (пинниговаться) за дефекты, где сверхпроводимость подавлена.

Другой подход к повышению критической плотности тока опирается на собственные характеристики материалов. В частности, было высказано предположение, что сосуществование магнетизма и сверхпроводимости может оказаться полезным для закрепления вихрей. Некоторые из высокотемпературных сверхпроводников, такие как La2-xSrxCuO4 и Ba(Fe1-xCox)2As2, представляют наибольший интерес в этом плане, поскольку сверхпроводимость в них реализуется в окрестности антиферромагнитно упорядоченного состояния. Сверхпроводимость в этих материалах, однако, требует химических замен, что неизбежно сопровождается возникновением дефектов или структурного беспорядка. Это, в свою очередь, приводит к пересечению позитивных и негативных аспектов внешнего и внутреннего пиннига. Кроме того, до сих пор не ясно, сосуществует ли магнитный порядок со сверхпроводимостью на микроскопическом или макроскопическом уровнях. Тем самым, для того чтобы прояснить влияние собственного пиннинга на критическую плотность тока, необходимо было провести исследование материала, которое сверхпроводит в стехиометрическом состоянии и допускает контроль сверхпроводящего и магнитного состояния внешними воздействиями.

Бинарный высокотемпературный сверхпроводник FeSe является основным кандидатом для проверки эффектов собственного пиннинга на критическую плотность тока, поскольку критическая температура этого материала ~ 10 К может быть увеличена до 37 К путем приложения давления. Возникновение магнетизма при давлении ~ 0.8 ГПа вызывает интерес как в плане фундаментальной физики, так и практических приложений. Особенно важным представляется наблюдение критической температуры сверхпроводящего состояния в монослоях FeSe, превышающей 100 К. В настоящей работе сообщается об эволюции критической плотности тока при повышении температуры сверхпроводящего перехода в монокристалле FeSe под действием квазигидростатического давления.

Вольтамперные характеристики, также как и температурные зависимости электрического сопротивления демонстрируют резкие изменения при достижении критического давления ~ 0.8 ГПа, свыше которого методами мюонной спектроскопии было доказано возникновение антиферромагнитного состояния, сосуществующего со сверхпроводимостью. В этом состоянии, амплитуда критического тока резко возрастает. Тот факт, что приложение давления не приводит к дополнительному беспорядку, указывает на то, что собственные характеристики вещества (антиферромагнитное упорядочение) влияют на механизмы пиннинга вихрей. Две особенности на вольтамперных характеристиках определяют поведение сверхпроводника. Первая из них – критический ток депиннинга Jc – определялся по критерию 1 мкВ, когда вихри отрываются от центров пиннинга и начинают двигаться. Вторая – ток свободного магнитного потока Jf – отвечает режиму, когда вихри не замечают центров пиннинга и движутся свободно. Диаграммы критических плотностей тока, Jc и Jf, представлены на рисунке. Здесь же показаны границы существования различных кристаллографических модификаций FeSe и определена область существования антиферромагнитного состояния.

Тем самым, мы исследовали корреляции между температурой сверхпроводящего перехода и критической плотностью тока в высокотемпературном сверхпроводнике FeSe. Критический ток резко возрастает в области сосуществования магнитного и сверхпроводящего параметров порядка. Флуктуации длины когерентности сверхпроводника, обусловленные неоднородным сверхпроводящим состоянием, могут оказаться важны для дополнительного пиннинга вихрей. В сочетании с хорошо известными методами создания искусственных дефектов собственные механизмы пиннинга могут быть использованы для повышения критических характеристик сверхпроводников. Это, в свою очередь, приближает время практического использования высокотемпературной сверхпроводимости.