Сверхпроводник на основе арсенида железа оказался пьезомагнетиком

Физики обнаружили, что в высокотемпературных сверхпроводниках на основе арсенида железа выше критической температуры возможно образование пьезомагнитной фазы, в которой магнитные свойства кристалла меняются при растяжении. Пока теоретического объяснения для образования такого состояния не предложено, но, вероятно, что возникающие при этом спиновые взаимодействия определяют и сверхпроводящие свойства этого класса материалов, пишут ученые в Nature Communications.

За счет сложного взаимодействия между электронными спинами, решеткой атомов и электронными орбиталями для высокотемпературных сверхпроводников характерны довольно богатые фазовые диаграммы. В зависимости от внешних условий — температуры и давления — у этих кристаллов можно обнаружить большое количество фаз, обладающих различными физическими свойствами. За счет того, что при переходах между этими состояниями принципиальным образом может меняться спиновая структура материала, эти превращения можно использовать для изменения магнитных и электрических свойств материалов, не только в сверхпроводящем состоянии, но и выше критической температуры.

Группа физиков из США и Германии под руководством Николаса Курро (Nicholas J. Curro) обнаружила, что для одного из высокотемпературных сверхпроводников состава BaFe₂As₂, помимо других кристаллических состояний, характерно наличие пьезомагнитной фазы, в которой под действием механических напряжений может меняться магнитная поляризация. В отличие от пьезоэлектриков, пьезомагнетики встречаются крайне редко — среди сверхпроводников также известны единичные примеры материалов, но среди них не было ни одного на основе железа.

Исследуемый смешанный арсенид железа и бария становится высокотемпературным сверхпроводником, если в его кристаллической структуре часть атомов бария заменить, например, на калий, или часть атомов железа — на кобальт. Критическая температура такого материала составляет около 25 кельвинов. При этом, несмотря на то, что для высокотемпературных сверхпроводников температура перехода довольно низкая, этот материал нередко используется, например, для получения сверхпроводящих кабелей.

При комнатной температуре материал представляет собой парамагнетик с неупорядоченной структурой спинов, но при понижении температуры от комнатной до −128 градусов Цельсия энергия флуктуаций спинов становится соизмеримой с колебаниями атомной решетки и их ориентация начинает оказывать влияние на симметрию кристалла. За счет взаимодействия друг с другом и электронными орбиталями спины начинают выстраиваться в упорядоченные цепочки, направленные вдоль одной из осей кристалла, и происходит так называемый нематический фазовый переход с образованием кристалла с анизотропной электронной структурой. Подробнее о сверхпроводниках и фазовых переходах, которые происходят в них и приводят к изменению электронной структуры, вы можете прочитать в нашем материале.

В кристалле BaFe₂As₂ одновременно с нематическим переходом происходит еще и магнитный переход — из парамагнитного состояния в антиферромагнитное, в котором соседние спины направлены в противоположном направлении, так что суммарный магнитный момент материала становится равен нулю. Однако при введении в кристаллическую структуру атомов других металлов эти две температуры расходятся, и появляется диапазон условий, в котором флуктуации спинов уже выстраиваются в цепочки, но сами спины еще не ориентируются в противоположных направлениях.

Оказалось, что за счет спин-орбитального взаимодействия в этом кристалле анизотропия нематического кристалла приводит к образованию анизотропной спиновой структуры. При этом, что интересно, величина этого эффекта зависит от внешнего механического напряжения. Так, в результате одноосного сжатия такого кристалла изначально орторомбическая решетка (при которой одна ячейка кристалла представляет собой прямоугольный параллелепипед) искажается. Даже небольшого искажения — порядка 0,3 процента — в кристалле оказывается достаточно, чтобы в нем начала перестраиваться система спинов с образованием анизотропной структуры.

Свойства спиновой структуры авторы работы измеряли с помощью метода ядерного магнитного резонанса и показали, что при изменении деформации кристалла происходит смена направления магнитного момента внутри материала. При этом, что интересно, изменяющийся магнитный момент может как совпадать так и не совпадать с направлением деформации. По словам авторов исследования, пока нет теории, которая может объяснить эти эффекты.

По словам авторов работы, полученные ими результаты впервые показали связь между внутренней спиновой структурой в нематически упорядоченных кристаллах сверхпроводников с спиновыми, орбитальными и решеточными степенями свободы. При этом, поскольку сверхпроводимость этих материалов зависит от тех же типов взаимодействия и образуется из фазы с магнитной упорядоченной структурой, полученные результаты помогут более детально исследовать свойства и сверхпроводящего состояния этого материала.

Отметим, что впервые связь спин-орбитального взаимодействия с сверхпроводимостью ученые доказали экспериментально более двух лет назад. В настоящее время исследованию спиновых взаимодействий в высокотемпературных сверхпроводниках посвящается большое количество исследований: например, недавно в купратных сверхпроводниках были обнаружены флуктуирующие спиновые полосы.

Александр Дубов