От хаоса к порядку: ученые нашли способ управлять магнитными вихрями с помощью температуры

Ученые НИЯУ МИФИ, МФТИ и НИУ ВШЭ обнаружили новый эффект в сверхпроводниках на основе квазикристаллов. Исследователи показали, что при изменении температуры магнитные вихри внутри такого материала способны менять порядок своего расположения. При очень низких температурах они повторяют сложный рисунок атомной структуры, а при нагревании перестраиваются в регулярную треугольную решетку.

Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review B. Открытие помогает лучше понять необычные свойства квазикристаллов и может в перспективе дать новый способ управления поведением сверхпроводящих материалов.

Кристалл, который нарушает привычные правила

Чтобы понять значение результата, сначала стоит разобраться, что такое квазикристалл. Обычный кристалл построен по принципу регулярной повторяемости. Если мысленно сдвигаться внутри его структуры на определённое расстояние, можно снова и снова находить одинаковое расположение атомов. Квазикристалл тоже обладает строгим порядком, но его атомный рисунок не повторяется через одинаковые промежутки. Это можно сравнить с мозаикой, в которой элементы образуют сложный и упорядоченный узор, но полностью одинаковый фрагмент не возникает снова.

Особенно необычна симметрия таких материалов. Например, они могут обладать симметрией пятого порядка. Это означает, что при повороте на определённый угол структура выглядит одинаково. Для обычных кристаллов такая симметрия долгое время считалась невозможной. Впервые необычную картину атомного порядка обнаружил израильский ученый Дан Шехтман в 1982 году. Открытие стало настолько важным, что в 2011 году принесло ему Нобелевскую премию по химии. 

Позднее стало ясно, что квазикристаллы существуют не только в лабораторных образцах. В 2011 году природный квазикристалл обнаружили в метеорите, найденном на территории России, в Корякском нагорье.

Почему квазикристаллы заинтересовали физиков

Долгое время ученые считали, что квазикристаллы плохо подходят для сверхпроводимости. Сверхпроводимостью называют состояние материала, при котором электрический ток может проходить практически без сопротивления. Такое состояние возникает при очень низких температурах и сопровождается другими необычными физическими эффектами. 

Одним из них является появление магнитных вихрей. Это своеобразные микроскопические области внутри сверхпроводника, вокруг которых формируется особое распределение магнитного поля. Такие вихри называют вихрями Абрикосова. Если представить сверхпроводник как поверхность, то вихри можно условно сравнить с небольшими воронками. Они взаимодействуют друг с другом и стремятся расположиться определённым образом. В обычных сверхпроводниках вихри при определённых условиях формируют регулярную треугольную структуру. Но квазикристаллы устроены иначе, поэтому исследователи предположили, что и вихри в них должны вести себя необычным образом.

Ученые обратили внимание на особенности атомной структуры квазикристалла. В ней существуют участки, где сверхпроводящие свойства материала оказываются локально ослаблены. Такие области становятся естественными центрами пиннинга. Пиннингом называют закрепление магнитного вихря в определённом месте материала. Cтруктура квазикристалла создаёт для вихрей своеобразные микроскопические ловушки. В обычном сверхпроводнике подобные ловушки могут возникать из за примесей или дефектов материала. В квазикристалле они связаны с самой организованной, но непериодической структурой. Именно это позволило ученым предположить, что температура способна менять баланс сил, действующих на вихри.

При низкой температуре вихри повторяют сложный узор

Расчёты подтвердили эту гипотезу. При температурах, близких к абсолютному нулю, вихри оказываются прочно связаны с естественными центрами пиннинга. Поэтому они выстраиваются не в привычную регулярную систему, а формируют сложный апериодический рисунок. Апериодический означает неповторяющийся через одинаковые промежутки. В результате расположение вихрей отражает сложную структуру самого квазикристалла. Материал как будто задаёт магнитным вихрям собственный маршрут и не позволяет им свободно перестраиваться.

Нагревание меняет картину

При повышении температуры ситуация меняется. Вихри постепенно освобождаются от естественных ловушек. Их собственное взаимодействие становится важнее влияния структуры квазикристалла. В результате вихри перестраиваются и начинают образовывать регулярную треугольную решетку. Именно такая структура характерна для классических сверхпроводников и была теоретически предсказана еще в 1957 году советским физиком Алексеем Абрикосовым. Температура фактически переключает два разных режима поведения магнитных вихрей. При низкой температуре они следуют сложному рисунку квазикристалла, а при нагревании переходят к более упорядоченной классической структуре.

Новый способ управлять сверхпроводником

Исследователи называют этот эффект своеобразным температурным переключателем структуры вихрей. Его значение заключается в том, что свойства материала можно изменять не за счёт перестройки самого квазикристалла и не за счёт внесения в него дополнительных дефектов, а только изменяя температуру. Для фундаментальной физики это важно прежде всего потому, что позволяет лучше понять взаимодействие между необычной атомной структурой и коллективным поведением электронов и магнитных вихрей.

В перспективе подобные исследования могут оказаться полезными при создании новых сверхпроводящих материалов. Однако говорить о непосредственном появлении новых устройств пока рано. Между теоретическим открытием и практической технологией обычно лежит большой путь, включающий эксперименты, проверку устойчивости эффекта и поиск способов управлять им в реальных условиях. Главный результат работы российских ученых состоит в другом: они показали, что необычный порядок квазикристалла способен напрямую влиять на макроскопическое поведение сверхпроводника, а температура может служить инструментом для переключения между двумя совершенно разными состояниями магнитных вихрей.