Ricercatori francesi e russi hanno offerto una spiegazione teorica per il comportamento di un materiale scoperto di recente che combina proprietà superconduttive e ferromagnetiche. Il nuovo modello teorico prevede anche effetti finora non osservati in materiali di questo tipo. Lo studio è stato pubblicato su Lettere di revisione fisica .

Ferromagnetismo e superconduttività sono, in un modo, due tendenze opposte che apparentemente non possono coesistere in un cristallo. Infatti, un superconduttore accoglie una corrente elettrica con resistenza nulla. Quando posto in un campo magnetico, un tale materiale espelle quel campo dalla sua massa in quello che è noto come effetto Meissner. Al contrario, un ferromagnete è magnetizzato e quindi trasporta un campo magnetico nella sua massa. Sarebbe apparso, perciò, che un materiale non può esibire contemporaneamente superconduttività e ferromagnetismo.

Però, composti a base di europio sono emersi di recente come al centro dell'attenzione della ricerca, quando le osservazioni hanno mostrato che potevano esibire contemporaneamente ferromagnetismo e superconduttività. Oltre alla sua importanza per la scienza fondamentale, la coesistenza di questi due fenomeni in un unico materiale offre interessanti possibilità per la progettazione dei dispositivi. Mantiene la promessa della spintronica superconduttiva, questo è, dispositivi che funzionano con informazioni codificate da spin, senza dissipazione.

Un normale magnete da frigorifero è un esempio di ferromagnete il cui cosiddetto punto di Curie si trova al di sopra della temperatura ambiente. Al di sotto di tale temperatura critica, un materiale ferromagnetico è magnetizzato a causa dell'allineamento parallelo dei momenti magnetici intrinseci, o gira, degli elettroni del guscio esterno. Può sembrare controintuitivo, ma su scala microscopica, la natura di questo ordinamento spontaneo è elettrica piuttosto che magnetica:l'energia di interazione coulombiana degli elettroni in un ferromagnete è inferiore per la configurazione di spin parallelo. Di conseguenza, ogni giro può essere pensato come residente in una media, o scambio, campo generato dagli altri spin.

Perché il ferromagnetismo rovina la superconduttività

Ci sono due meccanismi che mediano l'interazione di elettroni superconduttori e momenti magnetici. Vale a dire, quella elettromagnetica e quella di scambio.

Predetto nel 1956 da Vitaly Ginzburg, il meccanismo elettromagnetico prevede lo screening delle correnti di Meissner. Come sopra, un campo magnetico esterno non penetra nella massa di un superconduttore. Per compensare il campo esterno nella massa, le correnti di schermatura corrono lungo la superficie del superconduttore. La generazione di tali correnti fa aumentare l'energia. Se il campo esterno è più forte di un certo valore critico, l'energia aggiunta dovuta alle correnti schermanti supera l'energia di condensazione. Diventa più favorevole per il superconduttore passare allo stato normale e consentire al campo di entrare nella massa. Poiché le magnetizzazioni tipiche nei ferromagneti sono molto più alte dei campi critici dei superconduttori, il ferromagnetismo omogeneo distrugge la superconduttività.

Il meccanismo di scambio implica un'interazione tra il campo di scambio di un ferromagnete e gli elettroni che consentono la superconduttività. Questi sono in realtà stati legati di due elettroni con momenti e spin opposti, chiamate coppie Cooper. Il campo di scambio tende ad allineare gli spin degli elettroni in parallelo tra loro, distruggendo le coppie di Cooper e quindi la superconduttività. Questo è noto come effetto paramagnetico.

Come il ferromagnetismo può coesistere con la superconduttività

Si scopre che un materiale può esibire contemporaneamente le proprietà ferromagnetiche e superconduttive, purché uno degli stati ordinati non sia uniforme. Infatti, un campo non uniforme viene schermato in misura minore. Ciò significa che una struttura magnetica non uniforme non distruggerà la superconduttività tramite il meccanismo elettromagnetico. Prendendo in considerazione solo l'interazione di scambio, l'emergere di una struttura magnetica non uniforme nello stato superconduttore era stato previsto già nel 1959. Il periodo di questa struttura è molto più piccolo della dimensione caratteristica di una coppia di Cooper. Di conseguenza, alla scala di una coppia Cooper, il campo di cambio medio diminuisce, e quando emerge il ferromagnetismo, non rovina la superconduttività. Quando la temperatura scende, ad un certo punto il campo di scambio raggiunge il limite paramagnetico, e poi la superconduttività è sparita. Sfortunatamente, per tutti i superconduttori ferromagnetici precedentemente noti, la finestra di temperatura che permetteva il ferromagnetismo e la superconduttività simultanei era solo di circa 0,1 kelvin.

"Le prime ricerche sul magnetismo non uniforme nei superconduttori ferromagnetici consideravano solo l'interazione elettromagnetica. Tuttavia, si scoprì presto che questo non era applicabile a nessun materiale conosciuto allora:l'interazione di scambio era sempre dominante. Ciò ha portato a una sospensione temporanea della ricerca incentrata sul meccanismo elettromagnetico, ", ha affermato la coautrice dello studio Zhanna Devizorova del MIPT Laboratory of Optoelectronics for 2-D Materials.

Nuove opportunità si sono aperte una volta che i superconduttori ferromagnetici a base di europio sono diventati disponibili. Un composto drogato con fosforo di europio, ferro da stiro, e arsenico con la formula EuFe ₂ Come ₂ è un esempio. Ciò che rende questo materiale notevole è che l'effetto paramagnetico che distrugge la superconduttività è fortemente soppresso in esso, e l'interazione elettromagnetica domina. La ragione di ciò è che il ferromagnetismo nell'EuFe . drogato con P ₂ Come ₂ è fornita dagli elettroni localizzati dai gusci 4f degli atomi di europio, mentre la superconduttività è mediata dagli elettroni di conduzione 5d del ferro. In questo ambito, gli atomi di europio sono posizionati in modo tale che gli elettroni responsabili della superconduttività siano relativamente indipendenti da quelli responsabili del ferromagnetismo. I due sottosistemi sono virtualmente autonomi. Ciò si traduce in un campo di scambio molto debole che agisce sugli elettroni di conduzione.

La soppressione dell'effetto paramagnetico in EuFe ₂ Come ₂ significa che il ferromagnetismo e la superconduttività coesistono in un intervallo di temperature abbastanza ampio. Si tratta quindi di un ottimo materiale per la ricerca sperimentale sulle fasi esotiche che emergono per il predominio del meccanismo elettromagnetico e che esibiscono contemporaneamente questi due distinti ordinamenti. Per esempio, l'anno scorso un team di fisici sperimentali del MIPT e altrove ha utilizzato quel materiale per visualizzare la struttura magnetica di tali fasi utilizzando la microscopia a forza magnetica.

Ora, questi dati sperimentali sono stati spiegati qualitativamente da una teoria proposta nello studio qui riportato. I suoi autori dimostrano come la struttura magnetica non uniforme con un profilo di magnetizzazione sinusoidale si trasformi gradualmente in una struttura di tipo dominio man mano che la temperatura scende. Questa cosiddetta struttura del dominio di Meissner è stata osservata sperimentalmente in EuFe ₂ Come ₂ tra 17,8-18,25 kelvin. Il periodo della struttura si è rivelato sostanzialmente inferiore a quello di un normale ferromagnete. Ciò deriva dall'impatto della superconduttività.

Un ulteriore raffreddamento innesca una transizione del primo ordine nello stato di vortice ferromagnetico caratterizzato dalla coesistenza di vortici Abrikosov e domini ferromagnetici. Il team ha calcolato i parametri di questa transizione. In un superconduttore, un vortice è un'entità con un campo magnetico al suo interno. È schermato dall'esterno dalle correnti di Meissner. I ricercatori hanno dimostrato che la dimensione dei domini nello stato di vortice è praticamente la stessa di un normale materiale ferromagnetico. La teoria proposta nello studio prevede anche un nuovo effetto:le pareti del dominio che ospitano i vortici di Abrikosov perpendicolari ai vortici nei domini.

"Abbiamo sviluppato una teoria degli stati magnetici non uniformi nei superconduttori ferromagnetici, in cui domina l'interazione elettromagnetica tra superconduttività e ferromagnetismo, " Ha aggiunto Devizorova. "Oltre a descrivere qualitativamente i recenti dati sperimentali su tali stati in EuFe ₂ Come ₂ , prevediamo un nuovo effetto, che ora può essere testato sperimentalmente."

A questo punto, lo studio rientra nel regno della scienza fondamentale. Però, comprendendo l'interazione tra ferromagnetismo e superconduttività, dispositivi ibridi potrebbero essere progettati in seguito, che utilizzerebbe sia materiali superconduttori che ferromagnetici e sarebbe utile per la spintronica.