Por debajo de la temperatura de transición ferromagnética, el material genera pares vórtice-antivórtex debido a los efectos de las corrientes de Meissner de apantallamiento espontáneo. Las flechas gruesas indican la dirección de los vectores de magnetización, y las flechas delgadas muestran la dirección de la corriente. En la vista lateral, un círculo con un círculo adentro es una punta de flecha delgada, y un círculo con una cruz es una punta de flecha delgada. Crédito:Elena Khavina / MIPT
Los físicos rusos del MIPT se unieron a colegas extranjeros para un estudio experimental innovador de un material que posee propiedades tanto superconductoras como ferromagnéticas. En su artículo publicado en Avances de la ciencia , los investigadores también proponen una solución analítica que describe las transiciones de fase únicas en tales superconductores ferromagnéticos.
Superconductores ferromagnéticos
El equipo de investigación internacional estudió un compuesto monocristalino de europio, planchar, y arsénico, dopado con fósforo con la fórmula EuFe 2 (Como 0,79 PAG 0,21 ) 2 . Una vez enfriado a 24 kelvin, o −249,15 grados Celsius, este material presenta una resistencia eléctrica nula, convirtiéndose en un superconductor. Si se enfría más, por debajo de 18 K, adquiere propiedades ferromagnéticas. En particular, sufre magnetización espontánea en el campo magnético aplicado cero, como el hierro, que se utiliza para hacer imanes permanentes.
Notablemente, el ferromagnetismo no destruye en este caso la superconductividad. Esta coexistencia de magnetismo y superconductividad ha sido durante mucho tiempo objeto de interés tanto para los físicos teóricos como para los investigadores que investigan nuevos materiales con potencial para aplicaciones en la electrónica convencional y de alta corriente.
Desde un punto de vista teórico, Los superconductores ferromagnéticos son interesantes como materiales que exhiben propiedades distintas en diferentes rangos de temperatura. A diferencia de ellos, Los superconductores convencionales son diamagnéticos perfectos. Es decir, los campos magnéticos no penetran en su interior, porque un campo externo induce corrientes de apantallamiento en la superficie del superconductor. Estas corrientes dan como resultado un momento magnético que contrarresta el campo externo.
La red cristalina del compuesto examinado en el estudio. Las esferas rosadas representan los átomos de arsénico y fósforo. Los átomos de hierro y europio se muestran en naranja y azul, respectivamente. Crédito:Elena Khavina / MIPT
Las propiedades magnéticas y eléctricas de los materiales están interconectadas, de modo que los superconductores ferromagnéticos "peculiares" atrajeron la atención de los científicos. Investigándolos, es posible comprender mejor la naturaleza de la superconductividad como un fenómeno cuántico macroscópico. Quizás esta línea de investigación podría incluso arrojar luz sobre las perspectivas de superconductores que funcionarían cerca de la temperatura ambiente. que hasta ahora parecen caer en el reino de la fantasía.
En materiales ferromagnéticos, las magnetizaciones de las partículas constituyentes se alinean espontáneamente por debajo de una cierta temperatura, llamado el punto Curie. Esto da como resultado la formación de regiones magnetizadas uniformemente llamadas dominios, cuya interacción determina el campo magnético general del material. Por encima de la temperatura de Curie, el orden magnético se pierde.
Los ferroimanes se utilizan en la industria para fabricar varios dispositivos que almacenan o procesan información codificada en medios magnetizados. Ejemplos familiares de almacenamiento magnético son los discos duros, cinta de grabación, y bandas magnéticas en tarjetas de crédito.
La coexistencia de ferromagnetismo y superconductividad podría tener potencial desde un punto de vista práctico. Sin embargo, desarrollar aplicaciones tecnológicas de esta combinación de propiedades de los materiales, Los ingenieros y físicos deben comprender con mayor detalle los procesos que ocurren en los superconductores ferromagnéticos.
Imágenes de microscopía de fuerza magnética de una región de 8 micrones por 8 micrones en la muestra a varias temperaturas. La imagen D muestra un estado de vórtice de Abrikosov regular a una temperatura por encima de la temperatura de transición ferromagnética pero por debajo del punto de Curie. El estado es generado por el campo magnético externo, que es característico de todos los superconductores de tipo II. Las imágenes E y F muestran el dominio de Meissner y los estados del dominio de vórtice, respectivamente. Los esquemas G-I ilustran los casos correspondientes anteriores. La letra M designa el momento magnético, y jS significa corriente superconductora. Crédito:Vasily Stolyarov et al./Science Advances
Nueva fase de Meissner
Para saber qué sucede en la superficie del cristal investigado en el estudio, los investigadores utilizaron un microscopio de fuerza magnética. Les permitió crear un mapa 3D de alta resolución que mostraba la distribución del campo magnético cerca de la superficie de la muestra a varias temperaturas. Una vez que el material se enfrió por debajo de su punto Curie, o alrededor de 18 K, el mapa reveló dominios magnéticos. A los 19-24 K, el mapa muestra los vórtices de Abrikosov, que son un rasgo característico de los superconductores. Además, el equipo reveló una nueva fase que existe ligeramente por debajo del punto Curie, entre 17,8 y 18,25 K, y se manifiesta como dominios de Meissner.
El efecto Meissner-Ochsenfeld se refiere a la expulsión de un campo magnético de un superconductor durante su transición al estado superconductor. El material resiste la penetración de las líneas del campo magnético externo. Como resultado, el campo magnético externo induce corrientes de Meissner superconductoras en una capa delgada de material cerca de la superficie de la muestra.
Los autores de la investigación informada en esta historia han descubierto experimentalmente una nueva fase del efecto Meissner, denominada dominios de Meissner, y han observado su transformación en "dominios de vórtice". La noción de dominio de Meissner se refiere a la estructura periódica resultante de las corrientes de Meissner espontáneas generadas debido al apantallamiento del subsistema magnético interno de átomos de europio. La transición es una consecuencia de la cuantificación de los flujos magnéticos espontáneos de orientación opuesta en los dominios de Meissner una vez que se ha alcanzado un campo magnético crítico para el superconductor dado.
Variando la temperatura en el curso de su experimento, los investigadores rastrearon la transición de la muestra de una fase a otra.
Muestra de enfriamiento. Las flechas amarillas indican el par vórtice-antivortex, a medida que se genera (N), separa (O), y diverge aún más (P). Los autores señalan que el proceso se observa en uniones de dominio llamadas dislocaciones Y (como en M) o en el sitio de un vórtice preexistente. Crédito:Vasily Stolyarov et al./Science Advances
Vasily Stolyarov, un coautor del artículo, comentó sobre los resultados del estudio:"Por primera vez, hemos mostrado lo que sucede en la superficie de los superconductores ferromagnéticos recientemente descubiertos. Esta es la primera observación de los llamados dominios de Meissner y la transición de los dominios de Meissner a los dominios de vórtice, que ocurre cuando los pares vórtice-antivortex se generan espontáneamente en los dominios de Meissner, contrarrestar las corrientes de detección de Meissner en los dominios vecinos. La generación espontánea del par vórtice-antivórtex de Abrikosov en un superconductor homogéneo no se había observado antes, a pesar de que este fenómeno se predice teórica e indirectamente se infiere de la investigación sobre el transporte de electrones ".
"Nuestros hallazgos abren nuevos caminos en la física moderna de la superconductividad, "dice Stolyarov, quien es subdirector del Laboratorio de Fenómenos Topológicos Cuánticos en Sistemas Superconductores del MIPT. "Los resultados del estudio sientan las bases para futuras investigaciones teóricas y experimentales fundamentales sobre los procesos que ocurren en superconductores a escala atómica. Estamos preparando una serie de artículos que detallan nuestra investigación en materiales similares, y esta publicación es la primera de su tipo ".
El físico agregó que la transición de fase investigada en el estudio podría usarse para controlar los procesos que ocurren en el superconductor. En particular, este fenómeno puede ayudar a controlar los vórtices de Abrikosov en el cristal y formar pares únicos de vórtice-antivortex, que es útil para desarrollar electrónica basada en materiales superconductores híbridos.
