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.
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 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.