связь магнетизма и сверхпроводимости

Джазовое трио играет в полумраке клуба. Пианист ведёт мелодию, контрабасист держит ритм, барабанщик рассыпает дробь. Если слушать только пары музыкантов, можно уловить, как пианист подстраивается под бас или бас под барабаны. Но главное рождается, когда все трое импровизируют одновременно: одна фраза пианиста меняет игру барабанщика, а та, в свою очередь, подталкивает контрабасиста к новому ходу.

В большом зале два камертона стоят на поворотных подставках. Каждый настроен на свою ноту, но если подставки развернуть под нужным углом, камертоны начинают звучать в унисон, обмениваясь колебаниями через воздух. В эксперименте из лаборатории квантовых технологий роль камертонов сыграли две полоски из пермаллоя — сплава никеля и железа, который легко намагничивается и размагничивается.

Сверхпроводник напоминает оркестр, который играет без единой фальшивой ноты, пока дирижёр не повернёт ручку настройки. В новой работе такой ручкой оказалась магнитная история никелевых контактов. Учёные создали сверхпроводящие микромембраны из оксидов LaAlO3 и SrTiO3, где на границе двух материалов возникает тонкий слой свободных электронов — двумерный электронный газ.

Металл из пяти разных атомов — как суп, в котором плавают кусочки моркови, гороха, картофеля, лука и мяса. Каждый кусочек — свой элемент: хром, ванадий, титан, ниобий и тантал. Такой сплав называют высокоэнтропийным: в нём нет единого кристаллического порядка, атомы перемешаны почти случайно.

Два танцора на одной сцене: треугольник и полоса. В квантовом газе из атомов диспрозия, охлаждённом до 62 нанокельвинов, эти две пространственные структуры впервые столкнулись в одном эксперименте. Газ удерживается в ловушке, похожей на доску для сёрфинга, и атомы в нём — одни из самых магнитных в таблице Менделеева.

Представьте лестницу, перекладины которой — крошечные магнитики. Если соседние магнитики ориентированы противоположно (антипараллельно), лестница находится в «спокойном» состоянии. Но если заставить их выстроиться в одном направлении, вся конструкция намагнитится и станет «упрямой» — возникнет ферромагнитный порядок.

В тонких слоях кристалла селенида тантала (TaSe₂) обнаружено свойство, бросающее вызов привычной физике. Когда между слоями этого материала внедрили атомы-гости, структура потеряла центр инверсионной симметрии — и внутри возникла сверхпроводимость с необычной защитой.

В сверхпроводниках электроны объединяются в пары и текут без сопротивления. Обычно эти пары распределены равномерно, как вода в спокойном озере. Но иногда в материале возникает рябь — пары сгущаются и разрежаются с определённым шагом. Такое состояние называют сверхпроводимостью с волной плотности пар.

Соты, наполненные электронным «мёдом». В обычном состоянии электроны движутся беспорядочно, но при сильном охлаждении они могут объединяться в пары — так рождается сверхпроводимость. Форма этих пар, или симметрия спаривания, определяет свойства материала: одни танцуют вальс, другие — фокстрот.

Два листа селенида вольфрама — не углеродные, а из соединения вольфрама с селеном — поворачивают друг относительно друга на крошечный угол, около 5 градусов. Возникает муаровая картина: увеличенная периодическая решётка, где электроны ведут себя совсем иначе, чем в обычном кристалле. Недавно в таких скрученных слоях нашли сверхпроводимость.

Спинтроника сулит передавать информацию не зарядом, а спином, избавляя микроэлектронику от главного врага — джоулева нагрева.

Тонкая магнитная плёнка похожа на строй солдатиков с крошечными магнитными стрелками. В плоском мире тепловые толчки быстро сбивают этот строй — малейший нагрев разрушает порядок. Так работает запрет Мермина–Вагнера: в двух измерениях непрерывная симметрия не выживает при конечной температуре.

С помощью лазерной спектроскопии — метода, который можно сравнить с прослушиванием эха от кристалла: световой импульс возбуждает образец, а отклик рассказывает о внутренней структуре, — физики исследовали слоистый материал.

Толпа людей, которые могут свободно двигаться, но вдруг начинают действовать как одно целое — так сверхпроводник пропускает ток без сопротивления.

Слоёный пирог из атомных плоскостей никеля и кислорода — так устроены двуслойные никелаты. В них две такие плоскости разделены прослойкой. Если в этой прослойке сидит атом кислорода, он работает как мостик: связывает слои и запускает состояние, в котором электроны движутся без сопротивления.

В куске обычного магнетика все электронные спины — крошечные магнитные стрелки — смотрят в одну сторону. Это строй солдат, повёрнутых лицом к командиру. Такой порядок называют коллинеарным альтермагнетиком.

Два сверхпроводящих берега соединяет мост из магнитного материала. Внутри моста — доменная стенка: узкая граница, где намагниченность разворачивается, как строй солдат, меняющий направление шага. Ток, текущий через такой мост, ведёт себя не как спокойная река, а как поток, огибающий препятствие: он закручивается в петли и меняет силу.

Сверхпроводимость — это когда электрический ток течет без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Обычно она возникает при очень низких температурах, но есть материалы, где она появляется при более высоких.

Кристалл уранового соединения UTe2 похож на слоёный пирог, где электроны текут без сопротивления. Но если рассмотреть его поверхность в микроскоп, видна рябь — как волны на воде от брошенного камня. Эти волны не из воды, а из электрического заряда: электроны собираются то гуще, то реже, образуя периодический узор. Учёные охлаждали образец, прикладывали магнитное поле и меняли сам кристалл.

В кристаллической решётке, напоминающей плетёную корзину, электроны иногда образуют пары и текут без сопротивления. Такой материал — сверхпроводник на основе кагоме-решётки — ведёт себя как капризный оркестр: стоит добавить немного титана, и дирижёрская палочка переходит от одного порядка к другому.

Крошечный сверхпроводник, парящий над магнитом благодаря эффекту Мейснера, — это пробка на поверхности невидимого океана. Малейшее дуновение тёмной материи — гипотетической формы материи, не испускающей электромагнитного излучения — заставляет его вздрагивать. Учёные рассмотрели два вида такого «ветра».

В кристалле из европия, цинка и фосфора ток ведёт себя как машина на ухабистой дороге. Электроны не бегут свободно, а тащат за собой магнитные облачка — поляроны. При комнатной температуре эти облачка разрознены, но при охлаждении сливаются в сплошную массу, из-за чего ток резко замедляется.

Кристалл LBCO-0.125 при обычном давлении почти не проводит ток без потерь. Внутри него электроны выстраиваются в полосы с чередующейся намагниченностью, и эти полосы действуют как барьеры: сверхпроводящие пары образуются, но не могут свободно течь через весь образец.

Кристалл Co2SeO3Cl2 похож на слоёный пирог, где каждый слой — изогнутая сотовая сетка из атомов кобальта. При охлаждении до 25,4 К (−247,75 °C) в этой сетке начинают выстраиваться магнитные моменты атомов, как стрелки компасов, но не все разом, а в четыре этапа — при 25,4, 16,8, 11 и 3 К. Каждый этап — новый узор магнитного порядка.

Обычный сверхпроводник выталкивает магнитное поле, а это кольцо, наоборот, создаёт его внутри себя. Кольцо сделано из материала Fe(Te,Se) — соединения железа, теллура и селена, которое при очень низкой температуре теряет электрическое сопротивление.

Сверхпроводник — это материал, который при очень низкой температуре проводит электричество без потерь: электроны движутся, не расталкиваясь, как толпа, идущая по идеально ровному коридору. Но стоит включить сильное магнитное поле, и внутри сверхпроводника появляются вихри — крошечные области, где сверхпроводимость исчезает.

Обычный сверхпроводник похож на строй солдат, идущих парами: электроны объединяются, и их спины (внутренние «волчки») смотрят в противоположные стороны. Магнитное поле легко разворачивает такие пары, разрушая сверхпроводимость. В UTe₂ всё иначе.

Кристалл CeRh₂As₂ ведёт себя как переключатель: охладите его — и он станет сверхпроводником, а потом поднесите магнит — и он скачком перейдёт в другое сверхпроводящее состояние. Такое поведение редкость: большинство сверхпроводников имеют лишь одно состояние, а тут их два, разделённые резкой границей.

Слоистые кристаллы купратов напоминают стопку блинов: каждый блин — плоскость из атомов меди и кислорода, а между ними — прослойки других элементов. Обычно сверхпроводимость изучают на всей стопке, где слои влияют друг на друга.

Обычный выключатель щёлкает — и ток либо идёт, либо нет. А теперь материал, который сам переключается между «проводит без потерь» и «сопротивляется» под действием магнита. Именно такой бутерброд собрали физики: тонкая плёнка свинца лежит на сверхпроводнике из висмута, стронция, кальция, меди и кислорода. Между слоями сам собой вырос тончайший слой оксида свинца — изолятор.

В материале NaAlSi при охлаждении электроны формируют мимолётную рябь — полосы, которые возникают и исчезают, словно узор на воде от порыва ветра. Эта рябь переплетается со сверхпроводимостью — квантовым состоянием, в котором электрический ток течёт без сопротивления.

В обычном сверхпроводнике электроны объединяются в пары, которые стоят на месте — их общий импульс равен нулю. Но бывает иначе: пары получают общий импульс и начинают двигаться, как стайка рыб, плывущая против течения. Такое состояние называют волной пар, и оно очень капризное — нужны особые условия.

В кристалле La₂₋ₓSrₓCuO₄ при определённом составе одновременно существуют два состояния: сверхпроводимость, когда электроны движутся без потерь, и волна заряда — периодическое сгущение электронной плотности. Эти состояния конкурируют за одни и те же электронные облака, похожие на лепестки в форме креста.

В кристалле TiSe2 электроны ведут себя как стрелки компаса, которые вдруг начинают указывать в одну сторону. Это называется нематическим состоянием — по аналогии с жидкими кристаллами, где молекулы выстраиваются вдоль общего направления, хотя сам материал остаётся жидким.

Пропустите ток через контакт сверхпроводника с ферромагнетиком, и вы услышите шёпот квантового мира. В лаборатории при 0,3 К этот шёпот превратился в рёв: дробовой шум — электрический шум из-за дискретности заряда — оказался в сто раз громче, чем допускает теория для обычных контактов.

Ударьте в гонг — и звук будет таять слоями: низкий гул держится дольше, высокие обертоны исчезают первыми, оставляя после себя тишину. Так и кубит, проживая свою квантовую жизнь, оставляет не одно, а сразу три эха собственного прошлого.

Сверхпроводящий кубит — крошечное колечко без сопротивления — щёлкает задачами быстрее, чем вы моргаете. Но стоит отключить питание, и всё, что он насчитал, исчезает. Как повар, который готовит без записи рецепта: пока стоит у плиты, помнит каждый шаг, а через час — пусто. Авторы работы предлагают записывать результат в алмаз.