Считалось, что сверхпроводимость не сочетается с магнетизмом, но решение найдено

И в XXI веке в физике еще есть загадки, которые не имеют предсказательных разгадок,— сверхпроводимость и магнетизм. Нередко мы можем исследовать их только феноменологически, то есть через непосредственное описание наблюдаемых явлений, без теоретического предсказания.

В России проблемами сверхпроводимости занимаются давно, в том числе и в старейшем научно-исследовательском учреждении — Физическом институте им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, ФИАНе. В стенах этого института долгие годы работал Виталий Гинзбург (1916–2009), нобелевский лауреат 2003 года по физике, за «пионерский вклад в теорию сверхпроводимости и сверхтекучести», именем которого был назван новый Центр высокотемпературной сверхпроводимости и квантовых материалов. В Центре Гинзбурга в группе синтеза и роста монокристаллов под руководством Кирилла Первакова впервые изучили электронную зонную структуру «магнитного» сверхпроводника EuRbFe4As4 и показали, что антагонисты — сверхпроводимость и магнетизм — могут не только вполне мирно сосуществовать в одном соединении, но и совместно работать на благо прогресса.

История сверхпроводимости началась в 1911 году, когда голландский ученый Камерлинг-Оннес в своей лаборатории в Лейденском университете изучал сопротивление чистых металлов при охлаждении с помощью жидкого гелия (температура кипения жидкого гелия составляет 4,2 К, или минус 269°С). Измеряя сопротивление ртути при охлаждении, он заметил, что при определенной температуре сопротивление металла резко падает до нуля. Такое поведение сопротивления совершенно не вписывалось в существующие теории тех лет, согласно которой сопротивление должно монотонно снижаться до нуля, когда все электроны в металле «остановятся» и металл перестанет проводить электрический ток. Это подтолкнуло ученых исследовать и другие металлы при низких температурах, и немного позже была открыта сверхпроводимость в других металлах — олове, свинце, ниобии, титане и др.

В 2016 году было открыто новое семейство сверхпроводников на основе железа, известное как 1144 — эти цифры обозначают индексы в формуле соединения, и по ним названы соответствующие семейства. Стехиометрические соединения AeAFe4As4 (Ae = Ca, Sr, Ba, Eu и A = K, Rb, Cs) образованы двумя чередующимися структурами типа 122, AeFe2As2 и AFe2As2, когда из-за большой разницы в ионных радиусах между щелочными (A) и щелочноземельными (Ae) атомами не образуются твердые растворы замещения, а атомы самоупорядочиваются послойно и заполняют кристаллографические позиции попеременно между плоскостями FeAs.

Особняком среди сверхпроводников типа 1144 стоят европийсодержащие соединения AEuFe4As4 (A = Rb, Cs), которые являются материалами с сосуществованием сверхпроводимости и магнетизма, с температурой магнитного перехода (Tm~15 K) ниже сверхпроводящей (Tc = 35–37 K). Различие этих температур приводит к тому, что при охлаждении сначала в материале возникает сверхпроводимость, а потом уже в сверхпроводящем состоянии начинается магнитное упорядочение атомов европия. Это похоже на то, как если бы внутри льда вдруг возникал огонь и не плавил бы лед — совершенно несовместимые явления.

В группе Первакова работы по получению и изучению железосодержащих сверхпроводников проводятся с момента их открытия в 2008 году. Перваков и коллеги синтезировали и вырастили монокристаллы новых сверхпроводников типа 1144 с магнитными атомами европия. Чтобы их получить, ученые используют химически активные на воздухе рубидий и европий, поэтому проводят работы в атмосфере инертного газа аргона в специальном перчаточном боксе, в котором содержание кислорода и воды контролируется на уровне меньше одной молекулы на миллион атомов аргона. Получив монокристаллы, коллеги приступают к исследованию их свойств.

Исследование электронной зонной структуры — уникального электронного отпечатка соединения, определяющего его свойства, с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением показало, что сверхпроводящий переход никак не влияет на магнитные слои европия, а магнитный переход никак не влияет на сверхпроводимость.

Дальнейшие исследования данных соединений показали, что магнитное упорядочение европия в соединении EuRbFe4As4 происходит при температуре примерно 15 K и имеет спиральную структуру, то есть направление упорядочения каждого последующего магнитного слоя поворачивается на угол 90 градусов по сравнению с предыдущим слоем. Несмотря на то, что магнитная структура и сверхпроводящий конденсат пространственно отделены друг от друга, между магнитными слоями европия и сверхпроводящими слоями происходит магнитное взаимодействие. Другими словами, магнитные слои словно «чувствуют» друг друга через сверхпроводящие слои и закручиваются по спирали от слоя к слою. Возвращаясь к антагонистической природе сверхпроводимости и магнетизма, можно сказать, что сверхпроводимость не только не «убивает» магнетизм, а помогает магнитному упорядочению и определяет его структуру.

Такой «слоеный пирог» из чередующихся сверхпроводящих слоев FeAs и магнитных слоев атомов европия является естественным аналогом слоистой гетероструктуры типа сверхпроводник-магнит (SC-M), но с самоупорядочением на атомарном уровне. Это переход от микроразмерного уровня на наноразмерный, когда каждый слой гетероструктуры в виде тонкой пленки толщиной в тысячу элементарных ячеек заменяется одним атомарным слоем. Необычное строение - и свойства - соединения, в котором одновременно есть и сверхпроводимость, и магнетизм, может быть ключиком для более глубокого понимания самих явлений сверхпроводимости и магнетизма и открывает перспективы управления спином атомов европия в этом соединении для реализации нового направления микроэлектроники под названием спинтроника.

Кирилл Перваков, Артем Доев