Физики из Германии, Нидерландов и Норвегии предложили измерять когерентность магнонов с помощью аналога интерферометра Хэнбери Брауна — Твисса, который использует корреляции между сигналами детекторов, измеренных в разные моменты времени. Чтобы подтвердить работоспособность предложенного метода, исследователи теоретически рассчитали функции когерентности для магнонов, рождающихся при когерентном ферромагнитном резонансе и спиновом эффекте Зеебека. По оценкам ученых, реализовать такой эксперимент на практике можно в течение ближайших десяти лет. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
В 1930 году немецкий физик Феликс Блох заметил, что размагничивание ферромагнетика можно объяснить с помощью квазичастиц-магнонов. Чтобы понять, что представляют собой эти квазичастицы, рассмотрим цепочку связанных спинов. В первом приближении спины взаимодействуют как обычные диполи, поэтому энергия их взаимодействия пропорциональна косинусу взаимного угла. Проще говоря, спинам выгодно выстроиться в одном и том же направлении. При низких температурах, когда тепловыми флуктуациями можно пренебречь, так и происходит, и вещество превращается в намагниченный ферромагнетик. Однако при повышении температуры один из спинов отклоняется от равновесного состояния, тянет за собой соседей и запускает волну, которая бежит по цепочке и последовательно переворачивает спины. Собственно, такую спиновую волну называют магноном. Чем выше температура, тем сильнее разупорядочиваются спины, и тем больше магнонов образуется в материале. В результате намагниченность вещества постепенно уменьшается, пока окончательно не пропадает при критической температуре. При этом намагниченность, теоретически рассчитанная для газа магнонов, хорошо согласуется с намагниченностью реальных ферромагнетиков.
Долгое время магноны были всего лишь математической уловкой, позволяющей удобно описывать низкотемпературные возбуждения ферромагнетиков, однако около двадцати лет назад им удалось найти практическое применение. После того, как физики научились аккуратно генерировать магноны и управлять их внутренним состоянием, оказалось, что эти квазичастицы можно использовать для обработки, хранения и передачи информации. Грубо говоря, в таких приборах магноны служат аналогами электронов. Интересно, что, в отличие от электронов, магноны подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, то есть собираются в одном квантовом состоянии. Теоретически, это позволяет получить сверхтекучий спиновый ток и передать информацию без потери энергии. К сожалению, до сих пор физики не смогли проверить, сохраняется ли когерентность магнонов при движении через ферромагнетик, хотя и получили бозе-конденсат этих квазичастиц.
Группа исследователей под руководством Ремберта Дёйне (Rembert Duine) придумала, как проверить это свойство, и предложила схему подходящего эксперимента. В основе предложенной схемы лежит кросс-корреляционный интерферометр, разработанный в середине 1950-х годов астрофизиками Робертом Хэнбери Брауном (Robert Hanbury Brown) и Ричардом Твиссом (Richard Twiss). В этом приборе поступающий пучок частиц разделяется на два равных пучка и направляется на два детектора, работающих с ненулевой задержкой по времени. В результате прибор получает так называемую функцию временно́й когерентности второго порядка g(t) (second-order temporal coherence function), которая определяет, с какой вероятностью второй детектор зарегистрирует сигнал в момент времени t, если первый детектор увидел частицу в нулевой момент. Для когерентных источников, например, лазера, функция g(t) = 1, поскольку частицы из обоих пучков достигают детекторов в случайные моменты времени. Для некогерентных источников g(t) > 1. Это связано с так называемым «связыванием» (bunching) бозонов; например, для излучения черного тела g(0) = 2. Следовательно, функцию g(t) можно рассматривать как своеобразную меру когерентности пучка. Более того, для простоты достаточно взять только ее значение в нуле.
Поэтому ученые адаптировали интерферометр Хэнбери Брауна и Твисса (ХБТ) для спиновых токов и теоретически рассчитали функцию g(0) для конкретной реализации прибора. Для этого физики заменили источник фотонов источником магнонов, распространяющихся в ферромагнитном изоляторе, а фотоумножительные трубки интерферометра ХБТ на металлические провода. Когда по изолятору бегут спиновые волны, благодаря спиновому эффекту Холла в проводе наводится электрический ток, а потому его можно использовать в качестве детектора квазичастиц. Впрочем, помимо поглощения магнонов такой детектор отражает часть квазичастиц обратно в изолятор, а потому функцию g(0) необходимо рассчитывать с учетом такой неидеальности.
В своей статье ученые рассмотрели два основных метода генерации магнонов: когерентный ферромагнитный резонанс и спиновый эффект Зеебека. В первом случае спиновые волны создаются за счет резонанса с внешним переменным магнитным полем, во втором случае — за счет нагрева материала (вспомните пример из начала новости). Поэтому «резонансные» магноны когерентны (как фотоны лазера), а «тепловые» — некогерентны (как излучение черного тела). Для обоих случаев ученые рассчитали ожидаемый электрический сигнал и интенсивность потока магнонов, а затем нашли функцию g(0). Как и ожидалось, в первом случае исследователи получили g(0) = 1, а во втором случае — g(0) = 2. Следовательно, с помощью корреляций электрических сигналов действительно можно проверить, сохраняется ли когерентность магнонов при движении по материалу.
Впрочем, авторы статьи отмечают, что при расчетах они сделали несколько приближений, которые на практике могут не выполняться. Во-первых, они пренебрегли зависимостью функции g(0) от расстояния между детекторами, то есть считали, что это расстояние меньше длины когерентности магнонов. Если это не так, то функция g(0) для «тепловых» магнонов будет затухать с увеличением расстояния и приближаться к единице. Во-вторых, физики не учитывали, что при близком расположении проводов электроны могут туннелировать между ними и «размывать» сигнал. В-третьих, исследователи считали, что шум, возникающий при преобразовании спиновой волны в электрический сигнал, пренебрежимо мал. Наконец, ученые пренебрегали существованием разных типов магнонов и взаимодействием между квазичастицами. Тем не менее, физики надеются, что в ближайшие десять лет предсказанный эффект будет проверен экспериментально.
Хотя теоретически существование магнонов было обосновано почти 80 лет назад, точно измерить свойства этих квазичастиц физики до сих пор не смогли. Поэтому ученые до сих пор плохо понимают некоторые эффекты, связанные с магнонами. Например, в апреле 2017 года немецкие физики обнаружили, что магноны могут существовать при температуре значительно выше точки Кюри, когда магнитный порядок материала разрушается, и оно превращается в парамагнетик. Тем не менее, даже при отсутствии полного понимания спиновых волн исследователи уже научились применять их на практике. Например, в 2016 году японские ученые запустили нейросеть на основе спинтронного устройства, а в 2018 году российские физики построили спиновый диод. Подробно прочитать про перспективы таких устройств можно в материале «Магнетизм электричества».
Дмитрий Трунин
Пока эти результаты вызывают сомнения
Физики из Южной Кореи обнаружили у апатита свинца, в котором часть атомов свинца замещена медью, сверхпроводящие свойства при комнатной температуре. Ученые утверждают, что полученный методом твердотельного синтеза материал — первый сверхпроводник при комнатной температуре и атмосферном давлении. Температура перехода разрушения сверхпроводящего состояния достигает в нем 127 градусов Цельсия, пишут исследователи в препринтах (1, 2) на arXiv.org. Впрочем, некоторые физики уже выразили сомнения в обоснованности опубликованных результатов. Сверхпроводимость — эффект, при котором у некоторых материалов электрическое сопротивление становится нулевым, — обычно наблюдается при экстремально низких температурах. Лишь в конце XX века удалось получить материалы, обладающие высокотемпературной сверхпроводимостью. Первым материалом с критической температурой (Тс) выше точки кипения азота (-195,8 градуса Цельсия) был оксид итрия-бария-меди. Только в 2010-х годах были открыты новые типы сверхпроводников, способных сохранять свои свойства при температурах, более близких к комнатной. При сверхвысоких давлениях (более миллиона атмосфер) сверхпроводящие свойства возникают и у гидридов многих элементов, например, у сероводорода. Недавно физики подтвердили наличие сверхпроводимости гидрида лантана LaH10 при −23 градусах Цельсия. Уже в этом году американские ученые получили сверхпроводимость гидрида лютеция, легированного азотом, при комнатной температуре и умеренно экстремальном давлении. Впрочем, другие группы воспроизвести их результаты пока не смогли. Группа корейских физиков под руководством Ли Сукбэ (Sukbae Lee) из Центра исследований квантовой энергии обнаружила, что в материале на основе апатита свинца Pb10-xCux(PO4)6O (доля x составляет от 0,9 до 1,1) сверхпроводящие свойства наблюдаются при комнатной температуре и атмосферном давлении, то есть без необходимости сжимать образец до сотен миллионов атмосфер. Материал LK-99 получен с помощью твердотельного синтеза в герметичной трубке, вакуумированной до 1,3 × 10-6 атмосфер. Анализ полученного порошка LK-99 при помощи рентгеновской дифракции показал, что величина постоянной его кристаллической решетки на 0,48 процентов меньше, чем у апатита свинца. Ученые связали это изменение с частичным замещением атомов свинца на более компактные по размеру атомы меди. Авторы исследования полагают, что это привело к возникновению внутренних механических напряжений в кристалле, которые в конечном итоге и стали причиной сверхпроводимости. Наличие сверхпроводимости в материале ученые подтвердили, наблюдая левитацию образца в магнитном поле за счет эффекта Мейснера, а также исследуя зависимость удельного сопротивления вещества от температуры. Физики определили, что критическая температура (Тс), при которой образец LK-99 терял сверхпроводящие свойства, составляет от 104 до 127 градусов Цельсия. Ниже этой температуры ученые выделили несколько характерных участков. В диапазоне до примерно 60 градусов Цельсия удельное сопротивление практически равнялось нулю с незначительными шумовыми сигналами. При более высоких температурах наблюдался плавный рост удельного сопротивления. Авторы интерпретировали этот рост как локальные нарушения сверхпроводимости в отдельных областях поликристаллического образца. Если результаты корейских физиков подтвердятся, LK-99 может стать первым веществом со сверхпроводимостью при комнатной температуре и атмосферном давлении. Впрочем, исследования сверхпроводимости при комнатной температуре часто вызывают вопросы у научного сообщества, даже если добираются до публикации в рецензируемых журналах. Например, после проверок в 2022 году из Nature отозвали статью американских исследователей, которые нашли сверхпроводимость при 17 градусах Цельсия в смеси сероводорода, метана и водорода. Технические вопросы, из-за которых отозвали статью о сверхпроводимости углеродистого сероводорода, возникли и к этой работе. Так, сомнения в обоснованности выводов корейских ученых высказал профессор химического факультета МГУ Евгений Антипов, который вместе с Сергеем Путилиным открыл в 1993 году новое семейство ртутьсодержащих сверхпроводящих купратов. Один из них — HgBa2Ca2Cu3O8+x — на настоящий момент имеет рекордную подтвержденную на данный момент критическую температуру, −138 градусов Цельсия. В разговоре с N + 1 химик прокомментировал открытие коллег: «Я не думаю, что эта статья выйдет в каком-либо серьезном журнале, потому что она не отвечает принятым стандартам. У меня вызывает большие сомнения возможность реализации сверхпроводимости в соединении с такой формулой. Это оксофосфат двухвалентного свинца, а двухвалентный свинец отличается тем, что у него свободные электроны локализованы, они не могут переходить в зону проводимости — а значит они будут локализованы на катионах свинца». Вопросы у Антипова вызвала и возможность замещения двухвалентного свинца на двухвалентную медь в том синтезе, который проводили корейские ученые: «Представленные данные не убеждают в возможности такого замещения, так как в образце присутствует примесь сульфида меди Cu2S. С точки зрения кристаллохимии это выглядит не очень обоснованно, а с точки зрения эксперимента — они получили образец с примесями, при этом примеси там много. Поэтому говорить, что медь находится в позиции свинца, когда она присутствует в виде примесей — не обосновано». Физики продолжают изучать различные вещества и способы достичь высокотемпературной сверхпроводимости. Например, ранее мы писали, как сверхпроводимость ищут даже в радиоактивных веществах. О том как механическое напряжение помогает получить состояние сверхпроводимости в графене читайте в нашем материале «Тонко закручено».