Ученые из Франции и России теоретически описали экспериментальное поведение недавно открытого материала, сочетающего в себе свойства сверхпроводника и ферромагнетика. Разработанная теоретическая модель предсказывает и ряд новых эффектов в подобных материалах. Работа опубликована в престижном журнале Physical Review Letters.

Ферромагнетизм и сверхпроводимость являются в некотором роде антагонистами и, на первый взгляд, не должны сосуществовать в одном кристалле. Действительно, сверхпроводимость — это такое состояние материала, при котором электрический ток течет в нем без сопротивления. При этом если сверхпроводник поместить в магнитное поле, то это поле будет полностью “вытолкнуто” из него (эффект Мейсснера). Ферромагнетики же — материалы, обладающие намагниченностью, которая создает магнитное поле в объеме. Поэтому кажется разумным полагать, что в одном материале не может быть одновременно сверхпроводимости и ферромагнетизма.

Однако недавно сосуществование ферромагнетизма и сверхпроводимости было обнаружено в соединениях на основе европия (Eu). Эти материалы вызвали огромный интерес со стороны исследователей. Ведь, с одной стороны, возможность такого сосуществования важна с фундаментальной точки зрения, а с другой, комбинация ферромагнетизма и сверхпроводимости может быть перспективна для создания приборов сверхпроводящей спинтроники — систем, в которых носителем информации является спин и нет диссипации.

Привычные всем железные магниты — это ферромагнетики с температурой ферромагнитного перехода (температура Кюри) выше комнатной температуры, то есть они уже при комнатной температуре намагничены. Намагниченность в ферромагнетиках возникает из-за того, что собственные магнитные моменты (спины) электронов на внешних электронных оболочках «выстраиваются» параллельно друг другу. Как ни странно, микроскопическая причина такого упорядочения не магнитная, а электрическая. Энергия кулоновского взаимодействия электронов в ферромагнетиках оказывается меньше для параллельной ориентации спинов. При этом каждый отдельный спин как бы находится в среднем поле, создаваемом другими спинами (обменное поле).

Почему же ферромагнетизм разрушает сверхпроводимость? Выделяют два механизма взаимного влияния сверхпроводящих электронов и магнитных моментов — электромагнитный и обменный. Подавление сверхпроводимости в рамках электромагнитного механизма было предсказано еще в 1956 году Виталием Гинзбургом и связано с возникновением экранирующих мейснеровских токов. Как уже упоминалось, магнитное поле не проникает в объем сверхпроводника. Для того, чтобы компенсировать внешнее поле в объеме, по поверхности сверхпроводника начинают течь экранирующие токи. Возникновение таких токов приводит к увеличению энергии. Если величина внешнего поля больше критического значения и дополнительная энергия токов превосходит энергию конденсации, сверхпроводнику более выгодно перейти в нормальное состояние и «впустить» магнитное поле в объем. Поскольку типичные значения намагниченности в ферромагнетиках существенно превосходят критические поля сверхпроводников, однородный ферромагнетизм разрушает сверхпроводимость.

Второй механизм, обменный, связан с действием обменного поля ферромагнетика на сверхпроводящие электроны. Дело в том, что сверхпроводимость обеспечивается куперовскими парами — связанными состояниями двух электронов с противоположно направленными импульсами и противоположными спинами. Обменное поле же стремится сделать спины электронов параллельными, разрушая таким образом куперовские пары и сверхпроводимость. Такое разрушение сверхпроводимости получило название парамагнитного эффекта.

Как же ферромагнетизм может сосуществовать со сверхпроводимостью в одном материале? Оказалось, что это возможно, если одно из упорядочений становится неоднородным. Действительно, переменное в пространстве поле экранируется слабее. Поэтому в рамках электромагнитного механизма появление неоднородной магнитной структуры не будет приводить к разрушению сверхпроводимости. При учете только обменного взаимодействия появление неоднородной магнитной структуры в сверхпроводящем состоянии было предсказано еще в 1959 году. Период такой структуры существенно меньше характерного размера куперовской пары. Поэтому на масштабе куперовской пары среднее обменное поле уменьшается и ферромагнетизм не разрушает сверхпроводимость при своем появлении. При понижении температуры намагниченность растет, и когда обменное поле достигает парамагнитного передела, сверхпроводимость разрушается. К сожалению, во всех известных ранее ферромагнитных сверхпроводниках диапазон температур, где сверхпроводимость и ферромагнетизм сосуществуют, был порядка 0,1 кельвина.

«В первых исследованиях неоднородного магнетизма в ферромагнитных сверхпроводниках учитывали только электромагнитное взаимодействие. Однако вскоре было обнаружено, что во всех известных на тот момент материалах такая ситуация никогда не реализуется и обменное взаимодействие всегда доминирует. По этой причине изучение электромагнитного взаимодействия было приостановлено», — рассказывает автор работы Жанна Девизорова, научный сотрудник лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ.

Качественно большее пространство для маневров исследователи получили с открытием ферромагнитных сверхпроводников на основе европия. Пример такого материала — европий-железо-мышьяк (EuFeAs), допированный фосфором (Р). Это соединение примечательно тем, что, парамагнитный эффект, разрушающий сверхпроводимость, в нем сильно подавлен, и электромагнитное взаимодействие доминирует. Дело в том, что ферромагнетизм в этом соединении обеспечивается локализованными электронами с 4f-оболочек европия, а сверхпроводимость — проводящими электронами с 5d-оболочек железа. И из-за особого положения атомов европия электроны проводимости слабо взаимодействуют с теми электронами, которые обеспечивают ферромагнетизм. Таким образом, эти две подсистемы практически независимы. В результате обменное поле, действующее на электроны проводимости, оказывается очень маленьким.

Из-за подавления парамагнитного эффекта ферромагнетизм и сверхпроводимость сосуществуют в EuFeAs в довольно широком диапазоне температур — этот материал представляет собой уникальную платформу для экспериментального изучения экзотических фаз сосуществования двух упорядочений, стимулированных доминированием электромагнитного взаимодействия.

Недавно физикам удалось экспериментально визуализировать магнитную структуру этих фаз методами магнитной силовой микроскопии. В своей работе группа теоретиков из лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ разработала теорию, качественно описывающую экспериментальные данные. В работе показано, как неоднородная магнитная структура с синусоидальным профилем намагниченности плавно трансформируется в структуру доменного типа при понижении температуры. Такая структура наблюдалась в эксперименте при температурах 17,8–18,25 К и получила название «мейснеровские домены». Период структуры оказался существенно меньше, чем должен быть в обычном ферромагнетике. Это связано с влиянием сверхпроводимости. Дальнейшее охлаждение приводит к переходу первого рода в «ферромагнитное вихревое состояние», в котором вихри Абрикосова существуют на фоне магнитных доменов, — авторами были рассчитаны параметры такого перехода. Вихрь — это образование в сверхпроводнике, в сердцевине которого есть магнитное поле. Снаружи он экранируется мейсснеровскими токами. Было показано, что размер доменов в вихревом состоянии практически такой же, как в и обычном ферромагнетике. Кроме того, был предсказан новый эффект — внутри доменных стенок могут возникать вихри Абрикосова, перпендикулярные вихрям в доменах.

Результаты прокомментировала Жанна Девизорова: «Мы разработали теорию неоднородных магнитных состояний в ферромагнитных сверхпроводниках с доминированием электромагнитного механизма взаимодействия сверхпроводимости и ферромагнетизма. Нам удалось не только качественно описать недавние экспериментальные данные по изучению таких состояний в EuFeAs, но и предсказать новый эффект, который может быть проверен экспериментально».

На данном этапе работа носит фундаментальный характер. Однако понимание механизмов взаимодействия ферромагнетизма и сверхпроводимости может помочь в создании гибридных устройств на основе сверхпроводников и ферромагнетиков, которые перспективны для спинтроники.