Учёные 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 Physical Review Letters.
Ферромагнетизм и сверхпроводимость — в некотором роде антагонисты и, на первый взгляд, не должны сосуществовать в одном кристалле. Действительно, сверхпроводимость — это такое состояние материала, при котором электрический ток течёт в нём 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 создаёт магнитное поле в объёме. 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.
Пример такого материала — европий-железо-мышьяк (EuFeAs), допированный фосфором (Р). Это соединение примечательно тем, что, парамагнитный эффект, разрушающий сверхпроводимость, в нём 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 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 научный сотрудник лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ 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.