Физики уточнили взаимосвязь магнитной структуры и сверхпроводимости

Китайские физики исследовали магнитные и структурные свойства сверхпроводника состава ThFeAsN — подозревалось, что в отличие от других сверхпроводников на основе железа, это вещество не имеет магнитно-упорядоченной структуры. C помощью нейтронной дифракции ученые подтвердили, что действительно никакой перестройки магнитной и кристаллической структуры в окрестности критической температуры не происходит, и предложили возможное объяснение природы сверхпроводящего состояния. Исследование опубликовано в Europhysics Letters.

Сверхпроводник — вещество, которое обладает нулевым сопротивлением при температурах ниже критической. Кроме нулевого сопротивления, для сверхпроводника характерно вытеснение из материала магнитного поля. Таким образом, классический сверхпроводник является сильным диамагнетиком, поэтому довольно долгое время считалось, что наличие магнитного порядка приводит к подавлению сверхпроводимости. В 2008 году были впервые найдены сверхпроводники на основе железа с упорядоченной магнитной структурой. Изучив большинство соединений такого типа, ученые предположили, что все сверхпроводники на основе железа обладают магнитным порядком (как правило, антиферромагнитным), и их сверхпроводящие свойства взаимодействуют со спиновым состоянием. Однако, в опровержение такой гипотезы, недавно был найден сверхпроводник того же класса ThFeAsN, в котором подозревалось отсутствие магнитного порядка. Этот нитрид состоит из слоев Th₂N₂ и Fe₂As₂, и хотя численный расчет из первых принципов говорит, что наиболее устойчивым для него является антиферромагнитное состояние, измерения удельного сопротивления этого материала свидетельствовали о вероятном отсутствии такого состояния.

Для того, чтобы все-таки разобраться с магнитным упорядочением и природой сверхпроводимости в ThFeAsN, физики использовали метод порошковой нейтронной дифракции. Ученым удалось показать, что действительно для этого материала в диапазоне температур от 6 до 300 кельвинов не наблюдается ни магнитного упорядочения, ни каких-либо фазовых переходов, ведущих к изменению кристаллической структуры.

Небольшие структурные возмущения в слоях Fe₂As₂ были найдены при температуре около 160 кельвинов. Ученые утверждают, что именно структура тетраэдров FeAs₄ определяет критическую температуру перехода в сверхпроводящее состояние. Характерно, что эта структура является оптимальной именно для стехиометрического соединения, и никакое дополнительное легирование не требуется. Это свойство отличает этот сверхпроводник от подавляющего большинства всех других, а связано оно с тем, что происходит «самолегирование»: расстояние между атомами железа и мышьяка достаточно маленькое для того, чтобы происходил перескок электронов, который в результате нарушает орбитальную структуру. Вероятнее всего, теми же причинами объясняется и отсутствие упорядоченной магнитной структуры и структурных переходов. Поэтому, несмотря на то, что прямой взаимосвязи между магнитным порядком и сверхпроводимостью в таких веществах нет, косвенная связь все же существует.

Вероятно, это исследование лишь подхлестнет интерес к исследованию сверхпроводников на основе железа, который и так заметно возрос в последние несколько лет.

Александр Дубов