Des chercheurs français et russes ont proposé une explication théorique du comportement d'un matériau récemment découvert combinant des propriétés supraconductrices et ferromagnétiques. Le nouveau modèle théorique prédit également des effets non observés jusqu'à présent dans les matériaux de ce type. L'étude a été publiée dans Lettres d'examen physique .

Le ferromagnétisme et la supraconductivité sont, dans un sens, deux tendances opposées qui ne peuvent apparemment pas coexister dans un même cristal. En effet, un supraconducteur reçoit un courant électrique de résistance nulle. Lorsqu'il est placé dans un champ magnétique, un tel matériau expulse ce champ de sa masse dans ce qu'on appelle l'effet Meissner. Par contre, un ferromagnétique est magnétisé et transporte ainsi un champ magnétique dans sa masse. Il semblerait, donc, qu'un matériau ne peut pas présenter simultanément la supraconductivité et le ferromagnétisme.

Cependant, Les composés à base d'europium ont récemment émergé comme le centre d'attention de la recherche, lorsque les observations ont montré qu'ils pouvaient présenter simultanément du ferromagnétisme et de la supraconductivité. Outre son importance pour la science fondamentale, la coexistence de ces deux phénomènes dans un même matériau offre des possibilités intrigantes pour la conception de dispositifs. Il tient la promesse de la spintronique supraconductrice, C'est, appareils fonctionnant avec des informations codées par des spins, sans dissipation.

Un aimant de réfrigérateur ordinaire est un exemple d'un ferroaimant dont le soi-disant point de Curie se situe au-dessus de la température ambiante. En dessous de cette température critique, un matériau ferromagnétique est magnétisé du fait de l'alignement parallèle des moments magnétiques intrinsèques, ou tourne, d'électrons de la couche externe. Cela peut sembler contre-intuitif, mais à l'échelle microscopique, la nature de cet ordre spontané est électrique plutôt que magnétique :l'énergie d'interaction coulombienne des électrons dans un ferromagnétique est plus faible pour la configuration de spin parallèle. Par conséquent, chaque rotation peut être considérée comme résidant dans une moyenne, ou échanger, champ généré par les autres spins.

Pourquoi le ferromagnétisme ruine la supraconductivité

Il existe deux mécanismes médiateurs de l'interaction des électrons supraconducteurs et des moments magnétiques. À savoir, l'électromagnétique et l'échange.

Prédit en 1956 par Vitaly Ginzburg, le mécanisme électromagnétique consiste à filtrer les courants de Meissner. Comme indiqué ci-dessus, un champ magnétique externe ne pénètre pas dans la masse d'un supraconducteur. Pour compenser le champ extérieur dans la masse, des courants d'écran courent le long de la surface du supraconducteur. La génération de tels courants provoque une augmentation de l'énergie. Si le champ externe est plus fort qu'une certaine valeur critique, l'énergie ajoutée due aux courants de blindage dépasse l'énergie de condensation. Il devient plus favorable pour le supraconducteur de passer à l'état normal et de laisser le champ entrer dans la masse. Étant donné que les aimantations typiques des ferromagnétiques sont beaucoup plus élevées que les champs critiques des supraconducteurs, le ferromagnétisme homogène détruit la supraconductivité.

Le mécanisme d'échange implique une interaction entre le champ d'échange d'un ferromagnétique et les électrons permettant la supraconductivité. Ce sont en fait des états liés de deux électrons avec des impulsions et des spins opposés, appelé paires de Cooper. Le champ d'échange a tendance à aligner les spins des électrons parallèlement les uns aux autres, détruisant les paires de Cooper et donc la supraconductivité. C'est ce qu'on appelle l'effet paramagnétique.

Comment le ferromagnétisme peut coexister avec la supraconductivité

Il s'avère qu'un matériau peut présenter simultanément les propriétés ferromagnétiques et supraconductrices, à condition que l'un des états ordonnés ne soit pas uniforme. En effet, un champ non uniforme est filtré dans une moindre mesure. Cela signifie qu'une structure magnétique non uniforme ne détruira pas la supraconductivité via le mécanisme électromagnétique. Ne prenant en compte que l'interaction d'échange, l'émergence d'une structure magnétique non uniforme à l'état supraconducteur a été prédite dès 1959. La période de cette structure est bien plus petite que la taille caractéristique d'une paire de Cooper. Par conséquent, à l'échelle d'une paire de Cooper, le champ d'échange moyen diminue, et quand le ferromagnétisme apparaît, il ne ruine pas la supraconductivité. Au fur et à mesure que la température baisse, à un moment donné le champ d'échange atteint la limite paramagnétique, et puis la supraconductivité a disparu. Malheureusement, pour tous les supraconducteurs ferromagnétiques connus auparavant, la fenêtre de température accueillant simultanément le ferromagnétisme et la supraconductivité n'était que d'environ 0,1 kelvin.

"Les premières recherches sur le magnétisme non uniforme dans les supraconducteurs ferromagnétiques ne considéraient que l'interaction électromagnétique. Cependant, il s'avéra bientôt que cela n'était applicable à aucun matériau connu à l'époque :l'interaction d'échange était toujours dominante. Cela a conduit à une suspension temporaire de la recherche axée sur le mécanisme électromagnétique, ", a déclaré la co-auteure de l'étude, Zhanna Devizorova, du laboratoire d'optoélectronique pour les matériaux 2D du MIPT.

De nouvelles opportunités se sont ouvertes une fois que les supraconducteurs ferromagnétiques à base d'europium sont devenus disponibles. Composé d'europium dopé au phosphore, fer à repasser, et l'arsenic de formule EuFe 2 Comme 2 est un exemple. Ce qui rend ce matériau remarquable, c'est que l'effet paramagnétique destructeur de la supraconductivité y est fortement supprimé, et l'interaction électromagnétique domine. La raison en est que le ferromagnétisme dans EuFe dopé P 2 Comme 2 est fourni par les électrons localisés des couches 4f des atomes d'europium, tandis que la supraconductivité est médiée par les électrons de conduction 5d du fer. Dans ce composé, les atomes d'europium sont positionnés de telle sorte que les électrons responsables de la supraconductivité soient relativement indépendants de ceux responsables du ferromagnétisme. Les deux sous-systèmes sont pratiquement autonomes. Il en résulte un champ d'échange très faible agissant sur les électrons de conduction.

La suppression de l'effet paramagnétique dans EuFe 2 Comme 2 signifie que ferromagnétisme et supraconductivité coexistent dans une assez large gamme de températures. C'est donc un excellent matériau pour la recherche expérimentale des phases exotiques qui émergent du fait de la dominance du mécanisme électromagnétique et présentent à la fois ces deux ordonnancements distincts. Par exemple, l'année dernière, une équipe de physiciens expérimentaux du MIPT et d'ailleurs a utilisé ce matériau pour visualiser la structure magnétique de ces phases en utilisant la microscopie à force magnétique.

Maintenant, ces données expérimentales ont été expliquées qualitativement par une théorie avancée dans l'étude rapportée ici. Ses auteurs démontrent comment la structure magnétique non uniforme avec un profil d'aimantation sinusoïdale se transforme progressivement en une structure de type domaine lorsque la température diminue. Cette structure dite du domaine de Meissner a été observée expérimentalement dans EuFe 2 Comme 2 entre 17,8-18,25 kelvins. La période de la structure s'est avérée sensiblement plus petite que celle d'un ferromagnétique régulier. Cela provient de l'impact de la supraconductivité.

Un refroidissement supplémentaire déclenche une transition de premier ordre vers l'état de vortex ferromagnétique caractérisé par la coexistence de vortex d'Abrikosov et de domaines ferromagnétiques. L'équipe a calculé les paramètres de cette transition. Dans un supraconducteur, un vortex est une entité avec un champ magnétique en son cœur. Il est masqué de l'extérieur par les courants de Meissner. Les chercheurs ont montré que la taille des domaines à l'état de vortex est pratiquement la même que dans un matériau ferromagnétique ordinaire. La théorie proposée dans l'étude prédit également un nouvel effet :les parois des domaines accueillant les tourbillons d'Abrikosov perpendiculaires aux tourbillons dans les domaines.

"Nous avons développé une théorie des états magnétiques non uniformes dans les supraconducteurs ferromagnétiques, où domine l'interaction électromagnétique entre supraconductivité et ferromagnétisme, " Devizorova a ajouté. " En plus de décrire qualitativement les données expérimentales récentes sur de tels états dans EuFe 2 Comme 2 , nous prédisons un nouvel effet, qui peut maintenant être testé expérimentalement."

À ce point, l'étude relève du domaine de la science fondamentale. Cependant, en comprenant l'interaction entre le ferromagnétisme et la supraconductivité, des dispositifs hybrides pourraient être conçus plus tard, qui utiliserait à la fois des matériaux supraconducteurs et ferromagnétiques et serait pratique pour l'électronique de spin.