Магнитные сверхпроводники

Магни́тные сверхпроводники́, вещества, которые одновременно обладают магнитными и сверхпроводящими свойствами. Сверхпроводимость характеризуется двумя фундаментальными свойствами: отсутствием электрического сопротивления и эффектом Мейснера. Она полностью разрушается, если магнитное поле превосходит некоторую критическую величину. C одной стороны, это демонстрирует антагонизм магнетизма и сверхпроводимости, с другой – возможность их сосуществования. Впервые эта проблема сформулирована В. Л. Гинзбургом в 1956 г. Конкуренция этих двух типов упорядочения (магнетизма и сверхпроводимости) обусловлена двумя механизмами взаимного влияния сверхпроводящих электронов и локализованных магнитных моментов.

Первый – электромагнитный (орбитальный) механизм – осуществляется через магнитное поле, которое индуцируется магнитными моментами и сверхпроводящими токами и которое, в свою очередь, влияет на них. Поле, индуцированное магнитными моментами, разрушает сверхпроводимость из-за орбитального эффекта, под которым понимают движение электронов куперовской пары в магнитном поле по различным круговым орбитам; различие орбит связано с противоположным направлением импульсов спаренных электронов (см. Эффект Купера). При достижении магнитным полем критического значения движение электронов по разным орбитам приводит к нарушению их спаривания.

Второй механизм обусловлен обменным взаимодействием электронов, участвующих в формировании этих двух типов упорядочения. Микроскопическая теория сверхпроводимости (модель Бардина – Купера – Шриффера) показала, что сверхпроводимость может быть разрушена парамагнитным эффектом. Этот эффект заключается в том, что магнитное поле действует на спины куперовской пары и разрушает синглетную (спины электронов пары антипараллельны) сверхпроводимость.

Как правило, орбитальный эффект доминирует при разрушении сверхпроводимости. Однако в ферромагнетиках на спины электронов действует сильное обменное поле со стороны магнитных атомов. Его энергия составляет ${\displaystyle 100-1000\,{\text{К}}}$, что превосходит критическую температуру сверхпроводников. Это обстоятельство объясняет, почему среди открытых в 1980-х гг. первых магнитных сверхпроводников не было ферромагнетиков. Большинство этих соединений типа ${\displaystyle {\text{TrRh}}_{4}{\text{B}}_{4}}$ и ${\displaystyle {\text{TrMo}}_{6}{\text{S}}_{8}}$ (где ${\displaystyle {\text{Tr}}}$ – редкоземельный металл) являются антиферромагнитными сверхпроводниками. По мере понижения температуры они переходят в сверхпроводящее состояние, а затем в них появляется антиферромагнитное упорядочение магнитных моментов редкоземельных атомов. В антиферромагнетике средние обменное и орбитальное поля становятся равными нулю, и в результате антиферромагнетизм может сосуществовать со сверхпроводимостью. В свою очередь, сверхпроводимость также практически не влияет на антиферромагнетизм. В конце 1990-х гг. был открыт другой класс антиферромагнитных сверхпроводников – ${\displaystyle {\text{TrNi}}_{2}{\text{B}}_{2}{\text{C}}}$.

Необычная, т. н. возвратная, сверхпроводимость была обнаружена в ${\displaystyle {\text{HoMo}}_{6}{\text{S}}_{8}}$ (1985) и ${\displaystyle {\text{ErRh}}_{4}{\text{B}}_{4}}$ (1986). При низких температурах эти соединения являются ферромагнитными нормальными металлами. При понижении температуры они переходят в сверхпроводящее состояние при критической температуре ${\displaystyle {\text{Т}}_{\text{кр}}}$. При дальнейшем охлаждении ниже температуры Кюри ${\displaystyle {\text{Т}}_{\text{С}}}$ в них вместо ферромагнетизма возникает неоднородное магнитное упорядочение с периодом около ${\displaystyle 10^{-8}\,{\text{м}}}$. Температурный интервал сосуществования такого неоднородного магнетизма и сверхпроводимости невелик и составляет ${\displaystyle 0,05-0,1\,{\text{К}}}$. При дальнейшем понижении температуры сверхпроводимость разрушается, а неоднородный магнитный порядок превращается в ферромагнитный, т. е. наблюдается возвратный переход в нормальное ферромагнитное состояние. Возникновение неоднородного магнетизма вместо ферромагнетизма предсказано в работе Ф. Андерсона и английского физика-теоретика Х. Сула (1959).

Первые ферромагнитные сверхпроводники были открыты в начале 21 в. Это соединения ${\displaystyle {\text{UGe}}_{2}}$ (2000) и ${\displaystyle {\text{URhGe}}}$ (2001). В ${\displaystyle {\text{UGe}}_{2}}$ сверхпроводимость возникает при внешнем давлении ${\displaystyle p=(1\div 1,5)\cdot 10^{9}\,{\text{Па}}}$ c максимальной критической температурой лишь ${\displaystyle {\text{Т}}_{\text{кр}}\approx 0,7\,{\text{К}}}$, однако температура Кюри при этом сравнительно высока (${\displaystyle 10-30\,{\text{К}}}$). В ${\displaystyle {\text{URhGe}}}$ сверхпроводимость существует при отсутствии внешнего давления с ${\displaystyle {\text{T}}_{\text{кр}}\approx 0,3\,{\text{К}}}$, а ${\displaystyle {\text{Т}}_{\text{С}}\approx 10\,{\text{К}}}$. При таких высоких значениях температуры Кюри существование перехода в сверхпроводящее состояние означает, что куперовское спаривание должно быть триплетным (с параллельной ориентацией спинов). Таким образом, эти ферромагнитные сверхпроводники – редкий пример триплетной сверхпроводимости. Подтверждением этого служит и сильная чувствительность критической температуры к чистоте кристаллов.

Ферромагнитные сверхпроводники сочетают магнитные и сверхпроводящие свойства в одном соединении, что открывает широкие перспективы для их применения.