Российские исследователи соединили в одном материале несовместимые свойства

Учёные совместили в одном материале свойства сверхпроводника и магнетика.
Иллюстрация Pixabay.

Физики широко используют сверхпроводящие электромагниты. Устройство, способное поддерживать магнитное поле внутри самого сверхпроводника, тоже могло бы найти массу применений.
Фото EPA.

Учёные из России, Германии и Японии создали невероятное вещество, имеющее, казалось бы, запрещённое физическими законами сочетание свойств. Это сверхпроводник, генерирующий магнитное поле. Новинка очень интересна с точки зрения фундаментальной науки, но может пригодиться и в технике.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature Physics.

Поясним, что вещество в состоянии сверхпроводимости, как правило, невозможно намагнитить. Внешнее магнитное поле не проникает в него. А если по сверхпроводнику пустить ток, такой электромагнит создаст магнитное поле в окружающем пространстве, но не внутри себя. И наоборот, намагниченное вещество нельзя погрузить в сверхпроводящее состояние.

Магнитное поле в веществе создаётся атомами с неспаренными электронами, а сверхпроводимость, наоборот, возникает благодаря парам электронов. Соответственно, появление в веществе источников магнитного поля мешает ему перейти в сверхпроводящее состояние.

Известно исключительно мало материалов, которые могут одновременно находиться в сверхпроводящем состоянии и генерировать магнитное поле. Это невероятное сочетание достигается благодаря особому свойству: спонтанному нарушению симметрии по времени. Не погружаясь в дебри теории, можно сказать, что прошлое такой системы невозможно установить, исходя только из её настоящего.

Подчеркнём, что эта "непредсказуемость прошлого" кажущаяся. Физикам неизвестны процессы, которые действительно нарушали бы обратимость времени для электронов, протонов или нейтронов, то есть тех частиц, из которых состоит обычное вещество (а вот с более экзотическими частицами такое порой случается).

В случае материалов со спонтанным нарушением симметрии по времени речь идёт о том, что прошлое системы невозможно установить существующими методами. Теоретически, если бы экспериментаторы могли учесть состояние каждого атома в материале, ни о какой необратимости времени не пришлось бы говорить. Но такая точность выходит далеко за рамки возможного.

Физики широко используют сверхпроводящие электромагниты. Устройство, способное поддерживать магнитное поле внутри самого сверхпроводника, тоже могло бы найти массу применений.

Так или иначе, подобное экзотическое свойство позволяет материалу совмещать свойства сверхпроводника и магнетика. Происходящие при этом процессы всё ещё малоизучены, поэтому они очень интересуют физиков. С другой стороны, устройство, способное быть сверхпроводником и постоянным магнитом, могло бы пригодиться в разработке новой техники.

Именно такой материал синтезировали авторы новой статьи. Вернее, это целый класс арсенидов бария-калия-железа с общей формулой Ba1-xKxFe2As2, где x может принимать различные значения.

К слову, синтез подходящих для опытов монокристаллов размером до одного сантиметра сам по себе был весьма нетривиален.

"Получение качественных образцов достаточного размера представляет собой серьёзную задачу, так как важной может оказаться каждая мелочь: и материал тигля, и чистота реактивов, и выбранный состав, и температурный режим. Для получения монокристаллов мы использовали собственные наработки", – рассказывает соавтор статьи Игорь Морозов, сотрудник химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

Но усилия химиков оправдали себя. Входящие в команду физики обнаружили, что при x примерно равном 0,7 вещество приобретает особые свойства. При температуре -263 градуса Цельсия происходит спонтанное нарушение симметрии по времени. При этом материал погружается в сверхпроводящее состояние и одновременно генерирует магнитное поле.

"Полученные результаты указывают на то, что для ряда сверхпроводников при определённых составах реализуется малоизученная форма магнетизма. Удивительно то, что этот магнетизм порождается сверхпроводимостью, что и делает данное явление особенно интересным.

Дальнейшее исследование этого явления открывает новые возможности для создания сверхпроводящих устройств", – резюмирует соавтор работы Вадим Гриненко (Vadim Grinenko) из Технического университета Дрездена.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о двумерном управляемом магните из платины и о том, как достичь сверхпроводимости при комнатной температуре.