Физики из МИЭМ НИУ ВШЭ и МФТИ совместно с коллегами из других университетов разработали теорию, которая смогла объяснить переход между различными типами сверхпроводимости, выявив переходный режим с экзотическими магнитными свойствами. Это открытие может послужить основой для разработки сенсоров с большой чувствительностью и точностью, способных работать в условиях, в которых традиционные датчики менее эффективны. Исследование опубликовано в журнале Communications Physics.
Любой проводник имеет сопротивление, из-за чего часть энергии тока тратится на нагрев провода. В начале ХХ века было открыто явление сверхпроводимости — способности материала проводить электрический ток без потерь энергии. Но пока ее научились достигать только при низких температурах. Когда технический прогресс доберется до сверхпроводимости при комнатной температуре, человечество ждет революция в электронике.
Существует два основных типа сверхпроводников: первые, например ртуть и алюминий, исключают присутствие магнитного поля внутри сверхпроводника, вторые, например ниобий и ванадий, допускают его наличие. Обычно эти два типа сверхпроводников представлены разными материалами. Однако существует также уникальный класс материалов, известных как ферромагнитные сверхпроводники, в которых возможен переход от одного типа сверхпроводимости к другому.
Ученые из НИУ ВШЭ, МФТИ и еще нескольких российских и международных институтов исследовали переход между типами сверхпроводимости в ферромагнитных сверхпроводниках. Они обнаружили, что переход из первого типа во второй происходит в определенном диапазоне температур — между температурой возникновения магнитного упорядочения и температурой сверхпроводящего перехода. В переходном состоянии в материале формируются сложные пространственные структуры — «узоры» из намагниченности и сверхпроводящего конденсата. Такие структуры чувствительны к изменению внешних условий: температуры, электрического или магнитного поля.
Изменение узоров намагниченности и сверхпроводящего конденсата при повышении температуры. Источник: Communications Physics
«Из металлов или полупроводников, у которых сопротивление меняется от температуры, делают термометры — температурные сенсоры. Из полупроводников, сопротивление которых меняется в ответ на изменение освещенности, делают датчики для включения освещения при наступлении темноты или при прохождении мимо людей. Чувствительность “узоров” в магнитном сверхпроводнике может стать основой нового типа сенсоров», — комментирует Алексей Вагов, директор Центра квантовых метаматериалов МИЭМ НИУ ВШЭ, ведущий научный сотрудник Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ.
Высокочувствительные датчики температуры, магнитного или электрического поля нужны для отслеживания небольших изменений этих параметров. Это важно, например, для построения точного изображения в магнитно-резонансной томографии (сенсоры магнитного поля) или для электрокардиографии и электроэнцефалографии (сенсоры электрического поля), а также контроля любой высокоточной измерительной аппаратуры, в которой свойства компонентов зависят от температуры.
«В рамках стандартного подхода Гинзбурга — Ландау, который повсеместно используется для описания свойств сверхпроводников при температурах сверхпроводящего перехода нельзя объяснить возникновение “узоров” в магнитных сверхпроводниках. “Схватить” необходимый эффект помогла расширенная теория Гинзбурга — Ландау. Мы разрабатывали этот подход в течение последних десяти лет. И именно он помогает корректно описывать переход между разными типами сверхпроводимости и видеть образование экзотических магнитных свойств в переходном типе», — говорит Аркадий Шаненко, соавтор статьи, главный научный сотрудник Центра квантовых метаматериалов МИЭМ НИУ ВШЭ и старший научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ.
Ученые подчеркивают, что результат исследования универсален: переходная сверхпроводимость и «узоры» должны возникать в любом материале, где сверхпроводимость уживается с магнитными свойствами.
«Еще в 2018 году мы опубликовали в журнале Science Advances статью о нашем открытии. Тогда мы впервые в мире экспериментально продемонстрировали формирование так называемых мейснеровских и вихревых доменов в магнитных сверхпроводниках. Результаты вызвали бурное обсуждение в научном сообществе и потребовали развития микроскопической теории, точно описывающей процессы, происходящие при комбинировании двух фаз (магнитной и сверхпроводящей) в одном и том же материале. Результатом этого развития стала эта работа, продолжение следует», — прокомментировал Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ.
Центр перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ является базовой организацией кафедры фундаментальной и прикладной физики микро- и наноструктур ЛФИ МФТИ. Начать учиться и заниматься экспериментальными и теоретическими исследованиями сверхпроводимости, электронных свойств функциональных и квантовых материалов студенты кафедры могут уже в бакалавриате или после поступления в магистратуру или аспирантуру ЛФИ МФТИ.
