К чему привела встреча двух спиновых жидкостей в сверхпроводнике на железной основе

Несмотря на 25-летние исследования с момента открытия первых высокотемпературных сверхпроводников исследователи до сих пор не достигли полного понимания того, как этим материалам удается проводить электрический ток без потери энергии.

До сих пор исследования были сосредоточены на поиске дальнего электронного и магнитного порядка в материалах, таких как паттерны спинов электронов, и основывались на предположении, что именно этот порядок лежит в основе сверхпроводимости.

Однако новое исследование, опубликованное в издании Proceedings of the National Academy of Sciences, опровергает эту теорию.

Исследование, проведенное учеными из Брукхэйвенской национальной лаборатории при Министерстве энергетики США, описывает, как теллурид железа, связанный с семейством высокотемпературных сверхпроводников, развивает сверхпроводимость без дальнего электронного или магнитного порядка, будучи легированным небольшим количеством серы.

Фактически, материал демонстрирует жидкоподобное магнитное состояние из двух сосуществующих и конкурирующих беспорядочных магнитных фаз, которые, кажется, предшествуют и могут быть связаны с его сверхпроводимостью.

«Наши результаты опровергают множество популярных парадигм относительно работы сверхпроводников», сообщил ведущий исследователь физик Игорь Зализняк. „Я полагаю, что мы раскрыли важную подсказку о природе магнетизма и его связях со сверхпроводимостью в сверхпроводниках на основе железа“.

Этот прорыв может открыть новую тропу для исследования проявления свойства с большим потенциалом для широкого использования. Обычные сверхпроводники, которые необходимо охладить до чрезвычайно низких температур, чтобы они работали, уже играют ключевую роль во многих современных технологиях, от медицинской магнитно-резонансной томографии до левитирующего поезда на магнитной подушке.

Новые сведения о функции нетрадиционных сверхпроводников, которые не требуется охлаждать, могут привести к появлению множества новых технологий, включая линии энергопередачи с нулевой потерей энергии и другие важные применения энергии.

Действительно, другие материалы, основанные на подобной структуре, могут действовать как сверхпроводники при более теплых температурах, а потому понимание физики этого механизма очень важно.

Магнитная кадриль

Зализняк с коллегами исследовали нетрадиционный сверхпроводимый материал, состоящий из железа и теллура (FeTe), используя нейтронное рассеивание в высокопотоковом изотопном реакторе. Они создали карты магнитного рассеивания материала для нескольких температур, с учетом того, что материал легирован небольшим количеством серы. Карты объединили вместе множество кадров магнитного порядка в материале.

Выяснилось, что порядок является чрезвычайно локальным по природе, и существует лишь мгновение до изменения, что является характеристикой жидкоподобного поведения. На самом деле результаты показали, что фундаментальное изменение в локальном жидкоподобном паттерне корреляций спина электрона является ключевым изменением, которое сопровождает появление сверхпроводимости с уменьшением температуры в материале.

«Измерение показало динамические положения магнитных моментов, подобных паттернам, формируемым танцорами кадрили на танцполе», сказал Зализняк. „Поскольку температура снижается, магнитные атомы изменяют паттерны; в этом случае танцевальные движения инициированы мобильными электронами, и в итоге превращаются в состояние сверхпроводимости“.

Редкий взгляд на жидкое состояние

Помимо понимания потенциального механизма появления высокотемпературной сверхпроводимости работа также обеспечивает ценное понимание природы жидкостей. Несмотря на то, что система относится к наиболее распространенным системам сжатого вещества и состоит по большей части из жидкостей, она все еще плохо изучена на микроскопическом уровне. Динамическая и мимолетная природа локального порядка в жидкостях значительно усложняет их изучение.

То, что жидкости могут быть смесью двух разных жидких видов с разными локальными структурами и удельными весами, является идеей конца 19 века. Даже сегодня возможное существование разных жидких полиморфов в простых молекулярных жидкостях, а также фазовые переходы жидкости в жидкость между ними, продолжают привлекать массу внимания в исследовательском мире. Однако проблема не улажена до сих пор, и главным образом потому, что конкуренция между разными фазами жидкости возникает только при очень низких температурах, часто значительно ниже границы замерзания.

«В некоторых материалах, однако, такая конкуренция возникает весьма естественно в системах электронных магнитных моментов, где развитию магнитного порядка препятствуют конкурирующие взаимодействия», сообщил Зализняк. „В этих случаях материал остается беспорядочным даже при температурах намного более низких, чем энергия магнитных взаимодействий, производя жидкое состояние спина электрона“.

Результаты ученых обеспечили редкий экспериментальный пример жидкостного полиморфизма.