En dessous de la température de transition ferromagnétique, le matériau génère des paires vortex-antivortex en raison des effets d'écrans spontanés des courants de Meissner. Des flèches épaisses indiquent la direction des vecteurs d'aimantation, et de fines flèches indiquent la direction du courant. Dans la vue de côté, un cercle avec un cercle à l'intérieur est une fine pointe de flèche, et un cercle avec une croix est une extrémité de flèche mince. Crédit :Elena Khavina/MIPT
Des physiciens russes du MIPT se sont associés à des collègues étrangers pour une étude expérimentale révolutionnaire d'un matériau possédant à la fois des propriétés supraconductrices et ferromagnétiques. Dans leur article publié en Avancées scientifiques , les chercheurs proposent également une solution analytique décrivant les transitions de phase uniques dans de tels supraconducteurs ferromagnétiques.
Supraconducteurs ferromagnétiques
L'équipe de recherche internationale a étudié un composé monocristallin d'europium, fer à repasser, et l'arsenic, dopé au phosphore de formule EuFe
Remarquablement, le ferromagnétisme ne détruit pas dans ce cas la supraconductivité. Cette coexistence du magnétisme et de la supraconductivité a longtemps été un objet d'intérêt pour les physiciens théoriciens et les chercheurs étudiant de nouveaux matériaux ayant un potentiel d'applications en électronique conventionnelle et à haut courant.
D'un point de vue théorique, les supraconducteurs ferromagnétiques sont intéressants en tant que matériaux présentant des propriétés distinctes dans différentes plages de température. Contrairement à eux, les supraconducteurs conventionnels sont des diamagnétiques parfaits. C'est-à-dire, les champs magnétiques ne pénètrent pas à l'intérieur, car un champ externe induit des courants d'écran à la surface du supraconducteur. Ces courants génèrent un moment magnétique qui s'oppose au champ extérieur.
Le réseau cristallin du composé examiné dans l'étude. Les sphères roses représentent les atomes d'arsenic et de phosphore. Les atomes de fer et d'europium sont représentés en orange et bleu, respectivement. Crédit :Elena Khavina/MIPT
Les propriétés magnétiques et électriques des matériaux sont interconnectées, ainsi les supraconducteurs ferromagnétiques « particuliers » ont attiré l'attention des scientifiques. En les enquêtant, il est possible de mieux comprendre la nature de la supraconductivité en tant que phénomène quantique macroscopique. Peut-être que cette ligne de recherche pourrait même faire la lumière sur les perspectives de supraconducteurs qui fonctionneraient près de la température ambiante, qui jusqu'à présent tombent apparemment dans le domaine de la fantaisie.
Dans les matériaux ferromagnétiques, les aimantations des particules constitutives s'alignent spontanément en dessous d'une certaine température, appelé le point de Curie. Cela se traduit par la formation de régions uniformément magnétisées appelées domaines, dont le jeu détermine le champ magnétique global du matériau. Au dessus de la température de Curie, l'ordre magnétique est perdu.
Les ferroaimants sont utilisés dans l'industrie pour fabriquer divers dispositifs qui stockent ou traitent des informations codées sur des supports magnétisés. Des exemples familiers de stockage magnétique sont les disques durs, bande d'enregistrement, et des bandes magnétiques sur les cartes de crédit.
La coexistence du ferromagnétisme et de la supraconductivité pourrait avoir un potentiel d'un point de vue pratique. Cependant, développer des applications technologiques de cette combinaison de propriétés des matériaux, les ingénieurs et les physiciens doivent comprendre plus en détail les processus se produisant dans les supraconducteurs ferromagnétiques.
Images de microscopie à force magnétique d'une région de 8 microns sur 8 microns sur l'échantillon à différentes températures. L'image D montre un état de vortex d'Abrikosov régulier à une température supérieure à la température de transition ferromagnétique mais inférieure au point de Curie. L'état est généré par le champ magnétique externe, qui est caractéristique de tous les supraconducteurs de type II. Les images E et F montrent le domaine de Meissner et les états du domaine vortex, respectivement. Les schémas G-I illustrent les cas correspondants ci-dessus. La lettre M désigne le moment magnétique, et jS signifie courant supraconducteur. Crédit :Vasily Stolyarov et al./Science Advances
Nouvelle phase Meissner
Pour savoir ce qui se passe à la surface du cristal étudié dans l'étude, les chercheurs ont utilisé un microscope à force magnétique. Cela leur a permis de créer une carte 3D haute résolution montrant la distribution du champ magnétique près de la surface de l'échantillon à différentes températures. Une fois le matériau refroidi en dessous de son point de Curie, soit environ 18 K, la carte a révélé des domaines magnétiques. A 19-24 K, la carte montre les tourbillons d'Abrikosov, qui sont un trait caractéristique des supraconducteurs. Outre, l'équipe a révélé une nouvelle phase qui existe légèrement en dessous du point de Curie, entre 17,8 et 18,25 K, et se manifeste sous forme de domaines Meissner.
L'effet Meissner-Ochsenfeld fait référence à l'expulsion d'un champ magnétique d'un supraconducteur lors de sa transition vers l'état supraconducteur. Le matériau résiste à la pénétration des lignes de champ magnétique externes. Par conséquent, le champ magnétique externe induit des courants de Meissner supraconducteurs dans une fine couche de matériau proche de la surface de l'échantillon.
Les auteurs de la recherche rapportée dans cet article ont découvert expérimentalement une nouvelle phase de l'effet Meissner, appelée domaines de Meissner, et observé sa transformation en « domaines de vortex ». La notion de domaine de Meissner fait référence à la structure périodique résultant des courants de Meissner spontanés générés du fait du blindage du sous-système magnétique interne des atomes d'europium. La transition est une conséquence du fait que les fluxons magnétiques spontanés orientés de manière opposée dans les domaines de Meissner sont quantifiés une fois qu'un champ magnétique critique pour le supraconducteur donné a été atteint.
En faisant varier la température au cours de leur expérience, les chercheurs ont retracé la transition de l'échantillon d'une phase à une autre.
Échantillon de refroidissement. Les flèches jaunes indiquent le couple vortex-antivortex, tel qu'il est généré (N), sépare (O), et divergent encore (P). Les auteurs notent que le processus est observé au niveau des jonctions de domaine appelées dislocations Y (comme dans M) ou sur le site d'un vortex préexistant. Crédit :Vasily Stolyarov et al./Science Advances
Vasily Stolyarov, un co-auteur de l'article, commente les résultats de l'étude :« Pour la première fois, nous avons montré ce qui se passe à la surface des supraconducteurs ferromagnétiques récemment découverts. Il s'agit de la première observation des domaines dits de Meissner et du passage des domaines de Meissner aux domaines de vortex, qui se produit lorsque des paires vortex-antivortex sont générées spontanément dans les domaines de Meissner, contrecarrer les courants de Meissner d'écran dans les domaines voisins. La génération spontanée de paires vortex-antivortex d'Abrikosov dans un supraconducteur homogène n'a jamais été observée auparavant, bien que ce phénomène soit théoriquement et indirectement déduit de la recherche sur le transport des électrons. »
"Nos découvertes innovent dans la physique moderne de la supraconductivité, " dit Stolyarov, qui est directeur adjoint du Laboratoire des phénomènes quantiques topologiques dans les systèmes supraconducteurs du MIPT. "Les résultats de l'étude jettent les bases de futures recherches théoriques et expérimentales fondamentales sur les processus se produisant dans les supraconducteurs à l'échelle atomique. Nous préparons une série d'articles détaillant nos recherches sur des matériaux similaires, et cette publication est la première du genre."
Le physicien a ajouté que la transition de phase étudiée dans l'étude pourrait être utilisée pour contrôler les processus se produisant dans le supraconducteur. En particulier, ce phénomène peut aider à contrôler les vortex d'Abrikosov dans le cristal et former des paires vortex-antivortex uniques, ce qui est utile pour développer une électronique basée sur des matériaux supraconducteurs hybrides.
