В новом сверхпроводнике нашли необычный магнитный эффект

Физики из Японии и Нидерландов обнаружили в недавно открытом сверхпроводнике на основе селенида висмута необычные магнитные свойства: один из сверхпроводящих параметров — верхнее критическое поле — сильно зависел от направления в кристалле. Причем это свойство отличалось от стандартной магнитной анизотропии слоистых сверхпроводников. Авторы считают, что их экспериментальное исследование может стать основой для понимания причин возникновения сверхпроводимости в таких материалах. Работа опубликована в журнале Scientific Reports.

Сверхпроводимость — эффект падения сопротивления в материале до величин, экспериментально неотличимых от нуля. Это явление уже нашло множество применений в медицине, материаловедении и даже физике высоких энергий. На их основе изготавливают сверхсильные магниты для ЯМР-томографии, сверхточные датчики магнитного излучения (СКВИДы) и так далее.

Однако каждый сверхпроводник имеет ряд критических параметров, которые ограничивают его применение. Например, если нагреть материал выше критической температуры, в нем появится конечное сопротивление, и передача электроэнергии без нагрева проводов станет невозможной. Другой такой параметр — критическое поле — ограничивает величины магнитных полей, в которых явление сверхпроводимости может сохраняться.

Верхнее критическое поле — характеристика отдельного класса веществ, их называют сверхпроводниками второго рода. Для материалов «первого рода» определяют только одну величину критического поля при каждой температуре — ниже нее сверхпроводимость наблюдается, при более высоких полях материал имеет конечное сопротивление. Любой температуре ниже критической соответствует свое значение критического поля. Для таких веществ нормальным является состояние, когда магнитное поле полностью выталкивается из всего объема образца (эффект Мейснера), если же оно начинает проникать внутрь — сверхпроводимость разрушается.

В сверхпроводниках второго рода существует два таких критических значения. При достижении первого из них магнитное поле начинается проникать в образец, образуя области «нормального» проводника, вокруг которых циркулирует сверхпроводящий ток (вихри Абрикосова). Второе (или верхнее) критическое поле приводит к разрушению сверхпроводимости.

Большинство высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), за открытие которых была присуждена Нобелевская премия по физике 1987 года, имеют два критических поля. Поскольку большинство таких материалов имеют слоистую структуру, эти величины могут сильно зависеть от того, направлено ли поле параллельно или перпендикулярно слою. Однако при вращении кристалла вокруг этих направлений критическое поле, как правило, остается неизменным. Это объясняют тем, что сверхпроводящие электроны — куперовские пары — образуются преимущественно внутри слоя. Поэтому и свойства материала могут меняться именно при изменении угла между направлением магнитного поля и плоскостью сверхпроводящих слоев.

В новой работе авторы обнаружили необычную анизотропию верхнего критического поля при вращении одного из недавно открытых сверхпроводников. Явление проявляется относительно «параллельного», то есть вдоль слоя, направления магнитного поля. Эффект наблюдали в соединении Sr_xBi₂Se₃ — селениде висмута с интеркалированным стронцием. Однако ученые отметили, что после публикации статьи они узнали о недавнем открытии подобного эффекта в других веществах -  селенидах висмута, легированных медью и ниобием (Cu_xBi₂Se₃ и NbxBi2Se3). Авторы новой работы предложили несколько возможных объяснений такой асимметрии сверхпроводящего параметра.

Первое из них предполагает, что атомы стронция в структуре располагаются определенным образом. Селенид висмута — слоистое соединение, в котором атомы в слое гораздо сильнее связаны друг с другом, чем слои между собой. При внедрении в кристаллическую структуру стронция, он встраивается как раз между плоскостями селенида висмута. Ученые считают, что атомы стронция в структуре могут выстраиваться в ряды, и это приводит к тому, что для сверхпроводящих электронов внутри слоя возникает одно более выгодное направление движения.

Другое объяснение связано с электронными свойствами селенида висмута. Теоретические исследования других авторов показали, что сверхпроводимость в Sr_xBi₂Se₃ может быть вызвана образованием не синглетных, а триплетных электронных куперовских пар. Согласно общепринятой теории Бардина-Купера-Шриффера переносчиками тока в сверхпроводниках являются пары взаимодействующих между собой электронов с противоположными импульсами и спинами — синглетные куперовские пары. В триплетной паре спины электронов оказываются сонаправлены. Обычно в сверхпроводниках такие состояние энергетически невыгодны, но, согласно расчетам, в Sr_xBi₂Se₃ образование триплетных пар вызвано особой электронной структурой соединения.

Сам по себе Bi₂Se₃ — топологический изолятор, то есть ток в нем может протекать только в узком слое вблизи поверхности кристалла, а в объеме материал остается изолятором. При введении в кристаллическую структуру примерно 3 атомов стронция на 100 атомов висмута он становится сверхпроводником. Как сверхпроводники, так и топологические изоляторы — материалы с множеством необычных свойств и их применений. Так, на основе топологических изоляторов были сконструированы различные спинтронные и оптоэлектронные устройства.