Al di sotto della temperatura di transizione ferromagnetica, il materiale genera coppie vortice-antivortice a causa degli effetti delle correnti di Meissner schermanti spontanee. Le frecce spesse indicano la direzione dei vettori di magnetizzazione, e le frecce sottili mostrano la direzione della corrente. Nella vista laterale, un cerchio con un cerchio all'interno è una punta di freccia sottile, e un cerchio con una croce è un'estremità di freccia sottile. Credito:Elena Khavina/MIPT
I fisici russi del MIPT hanno collaborato con colleghi stranieri per uno studio sperimentale innovativo su un materiale che possiede proprietà sia superconduttive che ferromagnetiche. Nel loro articolo pubblicato su Progressi scientifici , i ricercatori propongono anche una soluzione analitica che descrive le transizioni di fase uniche in tali superconduttori ferromagnetici.
Superconduttori ferromagnetici
Il team di ricerca internazionale ha studiato un composto monocristallino di europio, ferro da stiro, e arsenico, drogato con fosforo con la formula EuFe 2 (Come 0.79 P 0.21 ) 2 . Una volta raffreddato a 24 Kelvin, o -249,15 gradi Celsius, questo materiale presenta una resistenza elettrica pari a zero, diventando un superconduttore. Se raffreddato ulteriormente, sotto i 18 K, acquisisce proprietà ferromagnetiche. In particolare, subisce una magnetizzazione spontanea a campo magnetico applicato nullo, come il ferro, che viene utilizzato per realizzare magneti permanenti.
Sorprendentemente, il ferromagnetismo in questo caso non distrugge la superconduttività. Questa coesistenza di magnetismo e superconduttività è stata a lungo oggetto di interesse sia per i fisici teorici che per i ricercatori che studiano nuovi materiali con un potenziale per applicazioni nell'elettronica convenzionale e ad alta corrente.
Da un punto di vista teorico, i superconduttori ferromagnetici sono interessanti in quanto materiali che mostrano proprietà distinte in diversi intervalli di temperatura. A differenza di loro, i superconduttori convenzionali sono diamagnetici perfetti. Questo è, i campi magnetici non penetrano al loro interno, perché un campo esterno induce correnti di schermatura sulla superficie del superconduttore. Queste correnti determinano un momento magnetico che contrasta il campo esterno.
Il reticolo cristallino del composto esaminato nello studio. Le sfere rosa rappresentano gli atomi di arsenico e fosforo. Gli atomi di ferro ed europio sono mostrati in arancione e blu, rispettivamente. Credito:Elena Khavina/MIPT
Le proprietà magnetiche ed elettriche dei materiali sono interconnesse, così i "particolari" superconduttori ferromagnetici hanno attirato l'attenzione degli scienziati. Indagandoli, è possibile comprendere meglio la natura della superconduttività come fenomeno quantistico macroscopico. Forse questa linea di ricerca potrebbe persino far luce sulle prospettive di superconduttori che funzionerebbero a temperatura ambiente, che finora sembrano rientrare nel regno della fantasia.
Nei materiali ferromagnetici, le magnetizzazioni delle particelle costituenti si allineano spontaneamente al di sotto di una certa temperatura, chiamato il punto Curie. Ciò si traduce nella formazione di regioni uniformemente magnetizzate chiamate domini, la cui interazione determina il campo magnetico complessivo del materiale. Al di sopra della temperatura di Curie, l'ordine magnetico è perso.
I ferromagneti sono utilizzati nell'industria per realizzare vari dispositivi che memorizzano o elaborano informazioni codificate in supporti magnetizzati. Esempi familiari di archiviazione magnetica sono i dischi rigidi, nastro di registrazione, e bande magnetiche sulle carte di credito.
La coesistenza di ferromagnetismo e superconduttività potrebbe avere un potenziale da un punto di vista pratico. Però, sviluppare applicazioni tecnologiche di questa combinazione di proprietà dei materiali, ingegneri e fisici devono comprendere in modo più dettagliato i processi che si verificano nei superconduttori ferromagnetici.
Immagini di microscopia a forza magnetica di una regione di 8 micron per 8 micron sul campione a varie temperature. L'immagine D mostra un regolare stato di vortice di Abrikosov a una temperatura superiore alla temperatura di transizione ferromagnetica ma inferiore al punto di Curie. Lo stato è generato dal campo magnetico esterno, caratteristica di tutti i superconduttori di tipo II. Le immagini E e F mostrano il dominio di Meissner e gli stati del dominio del vortice, rispettivamente. Gli schemi G-I illustrano i casi corrispondenti sopra. La lettera M indica il momento magnetico, e jS sta per corrente superconduttiva. Credito:Vasily Stolyarov et al./Science Advances
Nuova fase Meissner
Per scoprire cosa succede sulla superficie del cristallo indagato nello studio, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio a forza magnetica. Ha permesso loro di creare una mappa 3D ad alta risoluzione che mostra la distribuzione del campo magnetico vicino alla superficie del campione a varie temperature. Una volta che il materiale è stato raffreddato al di sotto del suo punto di Curie, o circa 18 K, la mappa ha rivelato domini magnetici. A 19-24 K, la mappa mostra i vortici di Abrikosov, che sono un tratto caratteristico dei superconduttori. Oltretutto, il team ha rivelato una nuova fase che esiste leggermente al di sotto del punto di Curie, tra 17,8 e 18,25 K, e si manifesta come domini di Meissner.
L'effetto Meissner-Ochsenfeld si riferisce all'espulsione di un campo magnetico da un superconduttore durante la sua transizione allo stato superconduttore. Il materiale resiste alla penetrazione delle linee del campo magnetico esterno. Di conseguenza, il campo magnetico esterno induce correnti di Meissner superconduttrici in un sottile strato di materiale vicino alla superficie del campione.
Gli autori della ricerca riportata in questa storia hanno scoperto sperimentalmente una nuova fase dell'effetto Meissner, chiamata domini di Meissner, e hanno osservato la sua trasformazione in "domini di vortice". La nozione di dominio di Meissner si riferisce alla struttura periodica risultante dalle correnti di Meissner spontanee generate a causa dello screening del sottosistema magnetico interno degli atomi di europio. La transizione è una conseguenza dei flussi magnetici spontanei orientati in modo opposto nei domini di Meissner che vengono quantizzati una volta raggiunto un campo magnetico critico per il dato superconduttore.
Variando la temperatura nel corso del loro esperimento, i ricercatori hanno tracciato il passaggio del campione da una fase all'altra.
Campione di raffreddamento. Le frecce gialle indicano la coppia vortice-antivortice, come viene generato (N), separa (O), e diverge ulteriormente (P). Gli autori notano che il processo si osserva in corrispondenza di giunzioni di dominio chiamate dislocazioni a Y (come in M) o sul sito di un vortice preesistente. Credito:Vasily Stolyarov et al./Science Advances
Vasily Stolyarov, un coautore del documento, ha commentato i risultati dello studio:"Per la prima volta in assoluto, abbiamo mostrato cosa succede sulla superficie dei superconduttori ferromagnetici scoperti di recente. Questa è la prima osservazione dei cosiddetti domini di Meissner e la transizione dai domini di Meissner ai domini di vortice, che si verifica quando le coppie vortice-antivortice vengono generate spontaneamente nei domini di Meissner, contrastare le correnti di Meissner schermanti nei domini limitrofi. La generazione spontanea di coppie vortice-antivortice Abrikosov in un superconduttore omogeneo non è stata osservata prima, nonostante questo fenomeno sia previsto teoricamente e indirettamente dedotto dalla ricerca sul trasporto di elettroni".
"Le nostre scoperte aprono nuovi orizzonti nella fisica moderna della superconduttività, "dice Stolyarov, che è vice capo del Laboratorio di fenomeni quantistici topologici nei sistemi superconduttori del MIPT. "I risultati dello studio gettano le basi per future ricerche teoriche e sperimentali fondamentali sui processi che si verificano nei superconduttori su scala atomica. Stiamo preparando una serie di documenti che descrivono in dettaglio la nostra ricerca su materiali simili, e questa pubblicazione è la prima del suo genere."
Il fisico ha aggiunto che la transizione di fase studiata nello studio potrebbe essere utilizzata per controllare i processi che si verificano nel superconduttore. In particolare, questo fenomeno può aiutare a controllare i vortici di Abrikosov nel cristallo e formare singole coppie vortice-antivortice, che è utile per lo sviluppo di elettronica basata su materiali superconduttori ibridi.
