Температура перестраивает магнитные вихри в сверхпроводящих квазикристаллах
Источник: МИФИ
МОСКВА, 18 августа /Новости науки/. Российские физики выявили температурную перестройку магнитных вихрей в модели сверхпроводящего квазикристалла. Об этом сообщили в НИЯУ МИФИ со ссылкой на статью в Physical Review B.
Результаты показывают, что температурой можно управлять конкуренцией между строением квазикристалла и взаимодействием самих вихрей. Их расположение влияет на устойчивость сверхпроводящего состояния и способность материала проводить ток без потерь в магнитном поле.
«Этот эффект — “термический переключатель” структуры вихрей — позволяет “включать” и “выключать” влияние атомарного узора на макроскопические свойства сверхпроводника всего лишь с помощью повышения или понижения температуры», — написал соавтор исследования, доцент НИЯУ МИФИ Андрей Красавин в материале университета.
Работу выполнили ученые НИЯУ МИФИ, МФТИ и НИУ ВШЭ. Они исследовали двумерную модель сверхпроводящего квазикристалла на основе решетки Пенроуза — неповторяющейся мозаики из узких и широких ромбов. Такая структура обладает пятикратной симметрией, которая невозможна у обычных периодических кристаллов.
Узлы решетки Пенроуза имеют разное число связей с соседями — обычно от трех до семи. Поэтому сверхпроводимость распределяется по материалу неравномерно: в некоторых местах она ослабевает. Эти участки становятся естественными центрами закрепления, или пиннинга, для вихрей Абрикосова.
Такие вихри возникают в сверхпроводниках второго рода под действием магнитного поля. Каждый из них представляет собой окруженную электрическими токами область, через которую проходит квант магнитного потока. Если вихри начинают свободно двигаться, в материале появляются потери энергии, поэтому их закрепление имеет большое значение для свойств сверхпроводника.
Расчеты показали, что при температурах, близких к абсолютному нулю, вихри закрепляются на естественных неоднородностях квазикристалла. В результате они образуют сложный апериодический рисунок, повторяющий непериодическую мозаику решетки Пенроуза.
При повышении температуры влияние центров пиннинга ослабевает относительно взаимодействия между вихрями. Вихри покидают прежние положения и выстраиваются в правильную треугольную решетку Абрикосова — структуру, характерную для обычных сверхпроводников.
Квазикристаллы имеют упорядоченное, но не повторяющееся расположение атомов. Дан Шехтман впервые наблюдал такую структуру в алюминиево-марганцевом сплаве в 1982 году, а в 1984 году опубликовал результаты. В 2011 году ученый получил Нобелевскую премию по химии за открытие квазикристаллов.
Долгое время считалось, что подобные материалы не способны становиться сверхпроводниками. В 2018 году ученые обнаружили сверхпроводимость в квазикристалле Al–Zn–Mg при температуре около 0,05 кельвина. В 2024 году это свойство подтвердили у слоистого квазикристалла Ta₁,₆Te при температуре около одного кельвина.
Новое исследование носит теоретический характер. Описанную авторами температурную перестройку вихрей предстоит проверить в экспериментах с реальными сверхпроводящими квазикристаллами.
Результаты показывают, что температурой можно управлять конкуренцией между строением квазикристалла и взаимодействием самих вихрей. Их расположение влияет на устойчивость сверхпроводящего состояния и способность материала проводить ток без потерь в магнитном поле.
«Этот эффект — “термический переключатель” структуры вихрей — позволяет “включать” и “выключать” влияние атомарного узора на макроскопические свойства сверхпроводника всего лишь с помощью повышения или понижения температуры», — написал соавтор исследования, доцент НИЯУ МИФИ Андрей Красавин в материале университета.
Работу выполнили ученые НИЯУ МИФИ, МФТИ и НИУ ВШЭ. Они исследовали двумерную модель сверхпроводящего квазикристалла на основе решетки Пенроуза — неповторяющейся мозаики из узких и широких ромбов. Такая структура обладает пятикратной симметрией, которая невозможна у обычных периодических кристаллов.
Узлы решетки Пенроуза имеют разное число связей с соседями — обычно от трех до семи. Поэтому сверхпроводимость распределяется по материалу неравномерно: в некоторых местах она ослабевает. Эти участки становятся естественными центрами закрепления, или пиннинга, для вихрей Абрикосова.
Такие вихри возникают в сверхпроводниках второго рода под действием магнитного поля. Каждый из них представляет собой окруженную электрическими токами область, через которую проходит квант магнитного потока. Если вихри начинают свободно двигаться, в материале появляются потери энергии, поэтому их закрепление имеет большое значение для свойств сверхпроводника.
Расчеты показали, что при температурах, близких к абсолютному нулю, вихри закрепляются на естественных неоднородностях квазикристалла. В результате они образуют сложный апериодический рисунок, повторяющий непериодическую мозаику решетки Пенроуза.
При повышении температуры влияние центров пиннинга ослабевает относительно взаимодействия между вихрями. Вихри покидают прежние положения и выстраиваются в правильную треугольную решетку Абрикосова — структуру, характерную для обычных сверхпроводников.
Квазикристаллы имеют упорядоченное, но не повторяющееся расположение атомов. Дан Шехтман впервые наблюдал такую структуру в алюминиево-марганцевом сплаве в 1982 году, а в 1984 году опубликовал результаты. В 2011 году ученый получил Нобелевскую премию по химии за открытие квазикристаллов.
Долгое время считалось, что подобные материалы не способны становиться сверхпроводниками. В 2018 году ученые обнаружили сверхпроводимость в квазикристалле Al–Zn–Mg при температуре около 0,05 кельвина. В 2024 году это свойство подтвердили у слоистого квазикристалла Ta₁,₆Te при температуре около одного кельвина.
Новое исследование носит теоретический характер. Описанную авторами температурную перестройку вихрей предстоит проверить в экспериментах с реальными сверхпроводящими квазикристаллами.
