СМИ о нас

Сверхпроводимость и магнетизм — антагонисты: сильное магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние, а сверхпроводники «выталкивают» магнитные силовые линии. Именно поэтому сверхпроводящие предметы могут левитировать в магнитном поле. Теперь ученые из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН обнаружили, что эти противоположности могут сходиться: сверхпроводник EuRbFe₄As₄ может демонстрировать магнитные свойства, не теряя сверхпроводимости, что открывает новые возможности для создания нового поколения вычислительных устройств на базе спинтронных элементов. О полученном результате сообщает пресс-служба ФИАН.

«Раньше считалось, что сверхпроводимость и магнетизм — это вода и огонь, они друг друга убивают. В этом слоистом соединении они не только живут вместе и расположены «через ряд», являются соседями, но и внутри этого материала магнитное взаимодействие осуществляется через сверхпроводник. То есть магнитные слои, между которыми расположены сверхпроводящие, друг друга «чувствуют». При этом в каждом следующем слое направление спинов атомов европия повернуто на 90 градусов», — говорит ведущий автор исследования Кирилл Перваков, научный сотрудник Центра высокотемпературной сверхпроводимости и квантовых материалов имени В. Л. Гинзбурга ФИАН.

Сверхпроводимость была открыта более 100 лет назад, когда физики обнаружили, что при сверхнизких температурах некоторые материалы теряют сопротивление и проводят электрический ток без тепловых потерь. Сверхпроводники уже подарили человечеству высокоскоростные левитирующие поезда-маглевы, магнитно-резонансную томографию, ускорители частиц. Ученые рассчитывают, что в будущем сверхпроводящие элементы могут помочь создать электронные устройства на новых принципах.

С 1980-х годов известны так называемые магнитные сверхпроводники — материалы, в которых при понижении температуры сначала возникает сверхпроводимость, а при последующем охлаждении появляется собственное магнитное поле. Однако при дальнейшем снижении температуры сверхпроводимость разрушается.

До недавнего времени температуры сверхпроводящего перехода в таких магнитных сверхпроводниках были довольно низкими и не превышали 10 градусов Кельвина. Но всё изменилось в 2008 году с открытием сверхпроводников на основе железа и мышьяка, которые назвали соединениями 122-го типа. В таких соединениях критическая температура сверхпроводящего перехода находилась в диапазоне от 26 до 57 градусов Кельвина. Внутри этого класса в 2016 году были обнаружены соединения с общей формулой AeAFe₄As₄, где Ae = Ca, Sr, Ba, Eu и A = K, Rb, Cs, которые условно называют соединениями 1144-го типа.

Перваков и его коллеги исследовали соединения типа AEuFe₄As₄ (A = Rb, Cs), содержащие европий, в которых температура магнитного перехода ниже температуры сверхпроводящего перехода. На первом этапе ученые вырастили монокристалл из рубидия, европия, железа и мышьяка с формулой EuRbFe₄As₄. Для того чтобы при работе материалы не окислялись, их в перчаточном боксе в атмосфере аргона закладывают в ниобиевые контейнеры и герметично заваривают, затем обрабатывают при температуре 800–900 градусов Цельсия. В результате получились монокристаллы размером до 5 миллиметров. При комнатной температуре они не обладают ни сверхпроводимостью, ни магнетизмом.

Затем исследователи изучили атомную структуру кристаллов и выяснили, что внутри у них есть двумерные нановключения из RbFe2As2 — соединения 122-го типа, которые не являются сверхпроводящими до двух градусов Кельвина.

Далее ученые охлаждали полученные кристаллы и смотрели, как материал проявляет свои сверхпроводящие и магнитные свойства. Для этого они создавали слабое внешнее магнитное поле и с помощью магнитных датчиков, замеряя отклик магнитной системы, оценивали магнитную восприимчивость образца.

Они обнаружили, что монослой с рубидием RbFe₂As₂ является планарным двухмерным дефектом, на котором закрепляются так называемые вихри Абрикосова — зоны, в которых магнитное поле образует локальные цилиндрические центры «нормального» проводника, по поверхности которых протекает незатухающий сверхпроводящий ток. Это закрепление вихрей похоже на то, как, когда появляются первые льдинки, которые еще не видно в воде, потоки воды огибают их и «цепляются» за них.

Кроме того, по мере уменьшения температуры ученые наблюдали переход материала в сверхпроводящее состояние и эффект Мейсснера — левитации сверхпроводника в магнитном поле — при температуре 36 градусов Кельвина. Далее при 15 градусах Кельвина возникает магнетизм — происходит магнитное упорядочение спинов европия. То есть до магнитного упорядочения они были повернуты произвольно, а ниже этой температуры они все выстраиваются в одном направлении, в каждом слое с европием. Подобным образом ведет себя магнитный порошок, когда выстраивается вдоль линий магнитного поля, попадая в него.

«Мы видим, что в одном соединении сверхпроводимость даже помогает магнетизму в какой-то мере. Можно сказать, что это такой самоупорядоченный аналог гетероструктуры. Раньше предлагались гетероструктуры на основе магнитных материалов и сверхпроводников, но они были объемные: пленка одного, потом пленка другого. И вот так чередовались. Это объемные материалы. А здесь это прямо внутри соединения, естественным образом выстроено: один слой сверхпроводящий, другой слой магнитный», — говорит Кирилл Перваков.

Причем от слоя к слою это направление меняется на 90 градусов: первый слой направлен вправо, следующий влево, и так далее. Но при этом, так как упорядочение каждого слоя направлено в разные стороны, то каждые два слоя, расположенные через один, компенсируют друг друга, и в итоге общее внешнее магнитного поле становится равно нулю. Этот эффект сохраняется при понижении температуры вплоть до двух градусов Кельвина.

«То, что они поворачиваются от слоя к слою, значит, что они друг друга «чувствуют», взаимодействуют. А чувствовать они могут друг друга только через сверхпроводник, через сверхпроводящую плоскость. И это довольно интересно, такое нечасто встретишь. В данном случае это дает возможность попробовать поуправлять спинами европия через сверхпроводимость», — рассказывает Кирилл Перваков.

Результаты работы открывают перед учеными новое направление теоретических и экспериментальных исследований. А также, возможно, соединениям найдут применение при разработке новых сверхпроводящих устройств для спинтроники. Кроме того, выявленная связь между условиями, которые приводили к возникновению магнитного упорядочения, позволит лучше изучить состояния сверхпроводников и управлять ими.

Физики из коллаборации Mu-MASS представили результаты второй части своего исследования, посвященного измерению частоты переходов в атоме мюония — связанной системе антимюона и электрона. По совокупности всей работы они не только уточнили лэмбовский сдвиг, но и впервые измерили сверхтонкое расщепление мюония в 2S-состоянии. Кроме того, физики увидели вклады от уровней с n = 3, что открывает дополнительные возможности для поиска Новой физики.

История открытия и экспериментов с мюонами достаточно нетривиальная. Все началось с того, что обнаруженный в 1936 году мюон физики приняли за юкавовский пион — мезон-переносчик ядерного взаимодействия. По этой причине его какое-то время называли мю-мезоном. Ошибка окончательно была признана в 1947 году, когда Пауэлл с коллегами нашли настоящие пионы. Сейчас мы знаем, что мюоны — это бесструктурные частицы второго поколения лептонного семейства.

На этом роль мюонов в развитии физики не закончилась. В 2010 году они стали причиной возникновения кризиса, получившего название «загадка радиуса протона». Его сутью стали расхождения в значениях фундаментальных констант, а именно зарядового радиуса протона, полученные с помощью спектроскопии обычного и мюонного водорода.

Другим существенным отклонением от Стандартной модели стали данные о мюонном магнитном моменте. Эта величина для всех элементарных частиц отличается от целочисленного значения, предписываемого квантовой механикой, из-за флуктуаций вакуума, поэтому точное значение магнитного момента принято называть аномальным. Измерения аномального магнитного момента мюона, проведенные в 2006 году в Брукхейвенской национальной лаборатории, дали результат, отличающийся от предсказаний теории на 3,7 стандартного отклонения (σ). В 2021 году благодаря усилиям физиков Фермилаба, разрыв усилился до 4,2 сигмы и до сих пор не объяснен.

К мюонной физике приковано внимание множества научных групп, включая коллаборацию Mu-MASS, в которую входят физики из Института Пауля Шерера, Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Физического института имени Лебедева РАН (ФИАН). Чуть меньше года назад мы рассказывали, как они измерили лэмбовский сдвиг в мюонии с n = 2. Правда, в тот раз ученые задействовали всего один сверхтонкий подуровень 2S-состояния. В новом исследовании Mu-MASS не только вовлекли в эксперимент другой подуровень, но и возбудили мюоний в состояние с n = 3, что открывает дорогу к новому пласту измерений.

Мюонием называют связанное состояние положительного антимюона с отрицательным электроном. Он очень похож на атом водорода, но отличается от него конечным временем жизни, меньшей массой положительной частицы, а также отсутствием у антимюона структуры, что нивелирует поправки на конечный размер ядра и упрощает интерпретацию положений спектральных линий. Таким образом, разница между энергией уровней 2S и 2P в мюонии, известная как лэмбовский сдвиг, определяется исключительно поправками квантовой электродинамики, что делает эти экзотические атомы привлекательными для поиска Новой физики.

Прямой экспериментальный доступ к лэмбовскому сдвигу в атомах всегда затруднен из-за сверхтонкого расщепления уровней, который в случае мюония довольно существенен. Расстояние между синглетными и триплетными сверхтонкими подуровнями для 2S и 2P примерно равны 557,9 и 186,1 мегагерц, в то время как лэмбовский сдвиг составляет чуть более одного гигагерца. В прошлый раз физики из Mu-MASS исследовали переход из 2S F=1 подуровня в 2P подуровни. В этот раз они использовали 2S F=0 подуровень.

Вкратце, авторы создавали экзотические атомы, бомбардируя фольгу антимюонами. Основной измеряемой величиной в эксперименте была интенсивность линии Лайман-альфа, которую испускало часть атомов мюония, родившаяся в возбужденном 2S состоянии. Но перед этим физики готовили атомы в нужном сверхтонком состоянии и облучали микроволновым импульсом с перестраиваемой частотой, чтобы резонансно перевести возбужденные атомы в 2P состояние и уменьшить интенсивность излучения линии Лайман-альфа.

Если в прошлый раз их интересовал диапазон от 800 до 1600 мегагерц, то для стимулирования новых переходов ученые сканировали частоту в диапазоне от 200 до 1000 мегагерц. Помимо искомого 2S F = 0 — 2P F = 1 перехода вклад в контур давала линия 3S − 3P, что, фактически, стало первым в истории измерением переходов в мюонии с участием уровней c n = 3.

Из результатов измерения физики извлекли значение лэмбовского сдвига, которое оказалось равным 1047,498 (1) мегагерца. Как и прошлое значение, оно находится в согласии с расчетами. Кроме того, комбинация обоих измерений позволила впервые экспериментально получить сверхтонкое расщепление 2S состояния — 559,6(7,2) мегагерца.