Crédito:@ tsarcyanide / MIPT Press Office
Investigadores de Francia y Rusia han ofrecido una explicación teórica del comportamiento de un material recientemente descubierto que combina propiedades superconductoras y ferromagnéticas. El nuevo modelo teórico también predice efectos no observados hasta ahora en materiales de este tipo. El estudio fue publicado en Cartas de revisión física .
El ferromagnetismo y la superconductividad son, en cierto sentido, dos tendencias opuestas que aparentemente no pueden coexistir en un cristal. En efecto, un superconductor acomoda una corriente eléctrica con resistencia cero. Cuando se coloca en un campo magnético, tal material expulsa ese campo de su masa en lo que se conoce como efecto Meissner. Por el contrario, un ferromagnet está magnetizado y, por lo tanto, lleva un campo magnético en su masa. Parecería, por lo tanto, que un material no puede exhibir simultáneamente superconductividad y ferromagnetismo.
Sin embargo, Los compuestos a base de europio han surgido recientemente como el foco de atención de la investigación, cuando las observaciones mostraron que podían exhibir simultáneamente ferromagnetismo y superconductividad. Además de su importancia para la ciencia fundamental, la coexistencia de estos dos fenómenos en un material ofrece interesantes posibilidades para el diseño de dispositivos. Tiene la promesa de la espintrónica superconductora, es decir, dispositivos que trabajan con información codificada por giros, sin disipación.
Un imán de nevera ordinario es un ejemplo de ferromaimán cuyo llamado punto Curie se encuentra por encima de la temperatura ambiente. Por debajo de esa temperatura crítica, un material ferromagnético se magnetiza debido a la alineación paralela de los momentos magnéticos intrínsecos, o gira, de electrones de la capa externa. Puede parecer contradictorio pero abajo a escala microscópica, La naturaleza de este ordenamiento espontáneo es más eléctrica que magnética:la energía de interacción de Coulomb de los electrones en un ferromaimán es menor para la configuración de espín paralelo. Como resultado, se puede pensar que cada giro reside en un promedio, o cambio, campo generado por los otros giros.
Por qué el ferromagnetismo arruina la superconductividad
Hay dos mecanismos que median la interacción de electrones superconductores y momentos magnéticos. A saber, el electromagnético y el de intercambio.
Predicho en 1956 por Vitaly Ginzburg, el mecanismo electromagnético implica el filtrado de las corrientes de Meissner. Como se indicó anteriormente, un campo magnético externo no penetra en la mayor parte de un superconductor. Para compensar el campo externo a granel, Corrientes de apantallamiento corren a lo largo de la superficie del superconductor. La generación de tales corrientes hace que aumente la energía. Si el campo externo es más fuerte que un cierto valor crítico, la energía agregada debido a las corrientes de apantallamiento excede la energía de condensación. Se vuelve más favorable para el superconductor pasar al estado normal y permitir que el campo entre en masa. Dado que las magnetizaciones típicas en los ferroimanes son mucho más altas que los campos críticos de los superconductores, El ferromagnetismo homogéneo destruye la superconductividad.
El mecanismo de intercambio implica una interacción entre el campo de intercambio de un ferromagnético y los electrones que permiten la superconductividad. Estos son en realidad estados ligados de dos electrones con momentos y espines opuestos, llamados pares de Cooper. El campo de intercambio tiende a alinear los giros del electrón en paralelo entre sí, destruyendo los pares de Cooper y por lo tanto la superconductividad. Esto se conoce como efecto paramagnético.
Cómo el ferromagnetismo puede coexistir con la superconductividad
Resulta que un material puede exhibir simultáneamente las propiedades ferromagnéticas y superconductoras, siempre que uno de los estados ordenados no sea uniforme. En efecto, un campo no uniforme se tamiza en menor medida. Esto significa que una estructura magnética no uniforme no destruirá la superconductividad a través del mecanismo electromagnético. Teniendo en cuenta solo la interacción de intercambio, la aparición de una estructura magnética no uniforme en el estado superconductor se predijo ya en 1959. El período de esta estructura es mucho más pequeño que el tamaño característico de un par de Cooper. Como resultado, a la escala de un par de Cooper, el campo de intercambio promedio disminuye, y cuando surge el ferromagnetismo, no arruina la superconductividad. A medida que baja la temperatura en algún momento el campo de intercambio alcanza el límite paramagnético, y luego la superconductividad desaparece. Desafortunadamente, para todos los superconductores ferromagnéticos previamente conocidos, la ventana de temperatura que acomoda el ferromagnetismo y la superconductividad simultáneos fue de solo 0,1 kelvin.
"Las primeras investigaciones sobre el magnetismo no uniforme en superconductores ferromagnéticos solo consideraron la interacción electromagnética. Sin embargo, Pronto resultó que esto no era aplicable a ningún material conocido en ese entonces:la interacción de intercambio siempre fue dominante. Esto llevó a una suspensión temporal de la investigación centrada en el mecanismo electromagnético, ", dijo la coautora del estudio, Zhanna Devizorova, del Laboratorio MIPT de Optoelectrónica para Materiales 2-D.
Se abrieron nuevas oportunidades una vez que los superconductores ferromagnéticos basados en europio estuvieron disponibles. Un compuesto de europio dopado con fósforo, planchar, y arsénico con la fórmula EuFe 2 Como 2 es un ejemplo. Lo que hace que este material sea notable es que el efecto paramagnético que destruye la superconductividad está fuertemente reprimido en él, y domina la interacción electromagnética. La razón de esto es que el ferromagnetismo en EuFe dopado con P 2 Como 2 es proporcionada por los electrones localizados de las capas 4f de los átomos de europio, mientras que la superconductividad está mediada por los electrones de conducción 5d del hierro. En este compuesto, los átomos de europio están posicionados de tal manera que los electrones responsables de la superconductividad son relativamente independientes de los responsables del ferromagnetismo. Los dos subsistemas son prácticamente autónomos. Esto da como resultado un campo de intercambio muy débil que actúa sobre los electrones de conducción.
La supresión del efecto paramagnético en EuFe 2 Como 2 significa que el ferromagnetismo y la superconductividad coexisten en un rango de temperaturas bastante amplio. Por lo tanto, es un material excelente para la investigación experimental de las fases exóticas que surgen debido al dominio del mecanismo electromagnético y exhiben estos dos ordenamientos distintos al mismo tiempo. Por ejemplo, el año pasado, un equipo de físicos experimentales de MIPT y otros lugares utilizó ese material para visualizar la estructura magnética de tales fases utilizando microscopía de fuerza magnética.
Ahora, Estos datos experimentales se han explicado cualitativamente mediante una teoría presentada en el estudio que se presenta aquí. Sus autores demuestran cómo la estructura magnética no uniforme con un perfil de magnetización sinusoidal se transforma gradualmente en una estructura de tipo dominio a medida que baja la temperatura. Esta denominada estructura de dominio de Meissner se observó experimentalmente en EuFe 2 Como 2 entre 17,8-18,25 kelvin. El período de la estructura resultó sustancialmente más pequeño que el de un ferromaimán regular. Esto se debe al impacto de la superconductividad.
Un enfriamiento adicional desencadena una transición de primer orden al estado de vórtice ferromagnético caracterizado por la coexistencia de vórtices de Abrikosov y dominios ferromagnéticos. El equipo calculó los parámetros de esta transición. En un superconductor, un vórtice es una entidad con un campo magnético en su núcleo. Está protegido desde el exterior por las corrientes de Meissner. Los investigadores demostraron que el tamaño de los dominios en el estado de vórtice es prácticamente el mismo que en un material ferromagnético regular. La teoría propuesta en el estudio también predice un nuevo efecto:las paredes del dominio acomodan los vórtices de Abrikosov perpendiculares a los vórtices en los dominios.
"Desarrollamos una teoría de estados magnéticos no uniformes en superconductores ferromagnéticos, en el que domina la interacción electromagnética entre superconductividad y ferromagnetismo, ", Agregó Devizorova." Además de describir cualitativamente los datos experimentales recientes sobre tales estados en EuFe 2 Como 2 , predecimos un nuevo efecto, que ahora se puede probar experimentalmente ".
En este punto, el estudio cae en el ámbito de la ciencia fundamental. Sin embargo, al comprender la interacción entre ferromagnetismo y superconductividad, los dispositivos híbridos podrían diseñarse más adelante, que utilizaría materiales superconductores y ferromagnéticos y sería útil para la espintrónica.
