2019-07-11 08:06:02
理论解释了铁磁超导体的行为

来自法国和俄罗斯的研究人员对最近发现的结合超导和铁磁性质的材料的行为提供了理论解释。新的理论模型还预测到目前为止这种材料的未观察到的影响。该研究发表在Physical Review Letters上。

在某种程度上,铁磁性和超导性是两种相反的趋势,似乎不能在一个晶体中共存。实际上,超导体可以容纳零电阻的电流。当放置在磁场中时,这种材料从所谓的迈斯纳效应中将该场从其体积中排出。相比之下,铁磁体被磁化,因此在其体内带有磁场。因此,似乎材料不能同时表现出超导性和铁磁性。

然而,最近铕基化合物成为研究关注的焦点,当观察显示它们可以同时表现出铁磁性和超导性时。除了它对基础科学的重要性之外,这两种现象在一种材料中的共存为器件设计提供了有趣的可能性。它具有超导自旋电子学的前景,即设备使用自旋编码的信息,没有耗散。

普通的冰箱磁铁是铁磁体的一个例子,其所谓的居里点位于室温以上。低于该临界温度,由于外壳电子的固有磁性动量或自旋的平行排列,铁磁材料被磁化。这似乎违反直觉,但在微观尺度下,这种自发排序的本质是电的而不是磁性的:铁磁体中电子的库仑相互作用能量对于平行旋转配置来说较低。结果,每个旋转可以被认为驻留在由其他旋转产生的平均或交换场中。

为什么铁磁性会破坏超导性

有两种机制介导超导电子和磁矩的相互作用。即,电磁和交换之一。

由Vitaly Ginzburg于1956年预测,电磁机制涉及筛选迈斯纳电流。如上所述,外部磁场不会渗透到超导体的主体中。为了补偿体积中的外部场,屏蔽电流沿着超导体的表面流动。这种电流的产生导致能量增加。如果外部磁场强于某个临界值,则由于屏蔽电流而增加的能量超过了冷凝能量。超导体转变为正常状态并允许磁场进入整体变得更有利。由于铁磁体中的典型磁化强度远高于超导体的临界磁场,因此均匀的铁磁性会破坏超导性。

交换机制涉及铁磁体的交换场和能够实现超导的电子之间的相互作用。这些实际上是具有相反动量和自旋的两个电子的束缚态,称为Cooper对。交换场倾向于使电子自旋彼此平行排列,破坏Cooper对,从而破坏超导性。这被称为顺磁效应。

铁磁性如何与超导性共存

事实证明,只要有序状态之一是不均匀的,材料就可以同时表现出铁磁性和超导性。实际上,非均匀场被筛选的程度较小。这意味着不均匀的磁结构不会通过电磁机制破坏超导性。仅考虑交换相互作用,早在1959年就预测了超导状态下非均匀磁结构的出现。这种结构的周期远小于库珀对的特征尺寸。结果,在Cooper对的尺度上,平均交换场减小,并且当出现铁磁性时,它不会破坏超导性。随着温度的降低,交换场在某一时刻达到顺磁极限,然后超导性就消失了。不幸的是,对于所有先前已知的铁磁超导体,适应同时铁磁性和超导性的温度窗口仅为约0.1开尔文。

“对铁磁超导体中非均匀磁性的早期研究只考虑了电磁相互作用。然而,很快就发现这不适用于当时已知的任何材料:交换相互作用总是占主导地位。这导致了研究的暂时中止。专注于电磁机制,“研究共同作者,MIPT光电子实验室的Zhanna Devizorova为二维材料说。

一旦铕基铁磁超导体可用,就开辟了新的机遇。具有式EuFe2As2的磷掺杂的铕,铁和砷化合物是一个例子。使这种材料显着的是,破坏超导性的顺磁效应在其中被强烈抑制,并且电磁相互作用占主导地位。其原因是P掺杂的EuFe2As2中的铁磁性是由来自铕原子的4f壳的局域电子提供的,而超导性是由铁的5d传导电子介导的。在这种化合物中,铕原子的位置使得负责超导的电子相对独立于负铁磁性的电子。这两个子系统实际上是自治的。这导致非常弱的交换场作用于传导电子。

EuFe2As2中的顺磁效应抑制意味着铁磁性和超导性在相当宽的温度范围内共存。因此,它是用于对由于电磁机制的优势而出现的外来阶段的实验研究的优秀材料,并且同时展示这两个不同的排序。例如,去年,来自MIPT和其他地方的一组实验物理学家使用该材料使用磁力显微镜观察这些相的磁结构。

现在,这些实验数据已经通过这里报道的研究中提出的理论进行了定性解释。其作者证明了随着温度的降低,具有正弦磁化分布的非均匀磁结构逐渐转变为畴型结构。这种所谓的Meissner结构域结构在17.8-18.25开尔文之间的EuFe2As2中实验观察到。结构的周期证明明显小于普通铁磁体的周期。这源于超导的影响。

进一步冷却触发一阶跃迁到铁磁涡旋状态,其特征在于共存的Abrikosov涡旋和铁磁畴。该团队计算了这种转变的参数。在超导体中,涡旋是在其核心具有磁场的实体。它由Meissner电流从外部屏蔽。研究人员表明,涡旋状态域的大小几乎与常规铁磁材料相同。该研究中提出的理论也预测了一种新的效应:畴壁适应Abrikosov涡旋垂直于域中的涡旋。

“我们在铁磁超导体中发展了一种非均匀磁态的理论,其中超导性和铁磁性之间的电磁相互作用占主导地位,”Devizorova补充说。 “除了定性描述最近关于EuFe2As2中这些状态的实验数据外,我们还预测了一种新的效应,现在可以通过实验进行测试。”

在这一点上,该研究属于基础科学领域。然而,通过理解铁磁性和超导性之间的相互作用,可以在以后设计混合装置,其将使用超导和铁磁材料并且对于自旋电子学是便利的。

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