|
Загадочный магнетизм сверхпроводников
|
|
|
|
Ученые из лаборатории компьютерного дизайна материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ предложили новую теоретическую модель, которая объясняет загадочное поведение магнитных свойств в высокотемпературных сверхпроводниках. Ключевым открытием стало понимание того, что для корректного описания этих материалов необходимо учитывать, как их магнитные взаимодействия меняются во времени, а не только в пространстве. Этот динамический подход позволил разрешить давнее противоречие между теорией и экспериментом.
|
|
|
|
История высокотемпературной сверхпроводимости — одна из самых интригующих проблем современной физики. С момента открытия в 1986 году материалов, способных проводить электрический ток без потерь при относительно высоких температурах, ученые бьются над разгадкой их тайн. Одни из самых перспективных кандидатов на эту роль — купраты, сложные оксиды меди. В исходном состоянии эти материалы представляют собой так называемые антиферромагнетики. Их можно представить как идеальную шахматную доску, где спины (собственные магнитные моменты) электронов на соседних атомах меди строго упорядочены и направлены в противоположные стороны. Этот строгий порядок делает материал изолятором. Но стоит внести в него небольшое количество примесей, или, как говорят физики, легировать его, как происходит чудо: материал становится сверхпроводником, а его магнитная структура кардинально меняется.
|
|
|
|
|
|
|
Идеальный дальний магнитный порядок, простирающийся через весь кристалл, исчезает. Вместо него остаются лишь небольшие, разрозненные «островки» динамического магнитного порядка. Расстояние, на котором сохраняются остаточные магнитные корреляции, называется корреляционной длиной. И именно здесь крылась одна из главных загадок: экспериментальные измерения показывали, что эти магнитные «островки» очень малы, их размер составляет всего несколько межатомных расстояний. Однако существующие теоретические модели предсказывали значительно большие значения, расходясь с реальностью на порядок. Этот разрыв мешал созданию единой теории, способной описать переход от магнитного изолятора к высокотемпературному сверхпроводнику.
|
|
|
|
Физики-теоретики из лаборатории компьютерного дизайна материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ обратили внимание на тонкий, но, как оказалось, решающий аспект, который в предыдущих работах часто упрощался. Речь идет о так называемой спиновой жесткости — параметре, описывающем, насколько сложно «возмутить» упорядоченную магнитную структуру. Эту жесткость можно разделить на пространственную, отвечающую за изменения порядка от точки к точке, и временную, связанную с динамикой, то есть с колебаниями спинов во времени. Большинство предыдущих моделей рассматривали временную жесткость как постоянную величину. Результаты исследования опубликованы в разделе Letters журнала Physical Review B.
|
|
|
|
Российские физики предположили, что именно в этом упрощении и кроется корень проблемы. Исследовав детально калибровочную инвариантность микроскопических моделей, они построили более полную модель, в которой временная спиновая жесткость стала динамической величиной, зависящей от частоты колебаний. Полученную модель ученые детально проверили, сравнив ее результаты с микроскопическими подходами.
|
|
|
|
Расчеты показали, что с ростом частоты колебаний временная спиновая жесткость в купратах резко падает. Этот эффект, который можно сравнить с «размягчением» магнитной системы на высоких частотах, приводит к сильному подавлению квантовых флуктуаций и не позволяет магнитному порядку распространяться на большие расстояния. В итоге вычисленная длина корреляции оказалась на удивление короткой и практически идеально совпала с экспериментальными данными для одного из самых изученных купратов, La2-xSRxCuO4.
|
|
|
|
На основе своей модели ученые построили фазовую диаграмму, своего рода «карту магнитных состояний» материала в зависимости от температуры и концентрации примесей. Эта карта предсказала существование лишь очень узкой области легирования, в которой при низких температурах может возникать устойчивый дальний магнитный порядок — еще один факт, хорошо согласующийся с наблюдениями.
|
|
|
|
Андрей Катанин, главный научный сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, прокомментировал результаты работы: «Успех нашей модели открывает дорогу для дальнейших, еще более точных исследований. Мы показали, какой физический механизм играет ключевую роль. Теперь можно двигаться дальше, усложняя модель, чтобы учесть и другие факторы, например локальные флуктуации, выходящие за рамки используемого приближения, или влияние структурного беспорядка. Каждый такой шаг приближает нас к конечной цели — созданию всеобъемлющей теории высокотемпературной сверхпроводимости, которая однажды может привести к созданию материалов, способных изменить наш технологический мир».
|
|
|
|
Иван Горемыкин, сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов, аспирант кафедры вычислительной физики конденсированного состояния и живых систем МФТИ, добавил: «Наше исследование показывает, что для понимания этих сложных систем нельзя пренебрегать их динамикой. Представьте, что вы пытаетесь понять характер движения толпы по одной-единственной фотографии — вы упустите все взаимодействия. Мы же, по сути, перешли от статичной «фотографии» магнитной системы к полноценному «видео», учтя, как система реагирует на возмущения разной частоты. Оказалось, что именно эта динамика и определяет хрупкость магнитного порядка, наблюдаемую в экспериментах».
|
|
|
|
Проведенное исследование не только решает конкретную давнюю проблему, но и указывает на важность динамических эффектов в сильно коррелированных электронных системах — классе материалов, к которому относятся не только сверхпроводники, но и многие другие экзотические вещества с потенциалом для будущих технологий. Понимание тонкого баланса между магнетизмом и сверхпроводимостью — один из главных вызовов современной физики конденсированного состояния, и новое исследование представляет собой важный шаг на пути к его преодолению.
|
|
|
|
Источник
|
