Применяя разработанный в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ) метод, ученые Лаборатории нейтронной физики смогли обнаружить целый ряд новых, не предсказанных ранее магнитных явлений, связанных со взаимодействием сверхпроводящего и ферромагнитного параметров порядка. Эти исследования могут дать большие практические результаты в развитии таких направлений, как сверхпроводящая спинтроника, наноэлектроника и сверхпроводящий квантовый компьютинг. Кроме этого, использовав не применявшиеся ими ранее редкоземельные элементы — диспрозий и гольмий, ученые смогли получить нетривиальное магнитное упорядочение в слоистых структурах, дающее яркие перспективы для получения инновационных материалов.

В основе создания устройств для этих новых областей знания лежат исследования ферромагнитно-сверхпроводящих (Ф/С) гетероструктур. Очень актуальными сегодня становятся нейроморфные вычисления, для которых создаются искусственные нейроны на базе контактов, в которых есть переходы «сверхпроводник — ферромагнетик». Детальные исследования Ф/С гетероструктур в широких диапазонах изменения магнитного поля и температуры проводятся в ЛНФ ОИЯИ на протяжении уже двадцати лет. На основе этих работ в ОИЯИ был разработан метод рефлектометрии поляризованных нейтронов, который и лег в основу исследования научной группы Объединенного института.

Сверхпроводимость и ферромагнетизм — это явления-антагонисты, их магнитные свойства противоположны. Сверхпроводник представляет собой тип материала, в котором электрический ток течет без сопротивления. Ферромагнетик — намагниченный материал, создающий магнитное поле в объеме. Магнитное поле ферромагнетика способно разрывать сверхпроводящие пары электронов, разрушая таким образом сверхпроводимость. Если же сверхпроводник поместить в магнитное поле, то поле будет полностью вытеснено из него — данное явление известно как эффект Мейсснера.

Однако, как видно из исследований, если реализовать сосуществование этих двух явлений на наномасштабе, то возникнут различные необычные эффекты. Это реализуется в гетероструктурах — структурах, состоящих из очень тонких слоев различных материалов, где толщина каждого слоя составляет от единиц до десятков нанометров.

«В гетероструктуре сверхпроводимость может проникать в ферромагнетик и, наоборот, ферромагнетизм может проникать в сверхпроводник, в результате чего возникают различные нетривиальные явления. Это дает возможность создавать устройства с двойным кодированием: с помощью магнетизма становится возможным управлять сверхпроводящими свойствами, а с помощью сверхпроводимости, то есть температуры, — контролировать магнитные свойства», — рассказал соавтор исследований, научный сотрудник группы «РЕМУР» сектора нейтронной оптики ЛНФ ОИЯИ Владимир Жакетов.

Он сообщил, что всего было изучено 18 типов слоистых структур. Многие из них содержали в себе ферромагнетики переходной группы металлов. Например, железо является переходным металлом и в то же время — очень сильным ферромагнетиком. Исследования показали, что слой железа необходимо «разбавить» немагнитным материалом, чтобы ослабить его действие на сверхпроводник. Вдобавок к этому, структуры с содержанием железа получаются неоднородными, образуя вместо ровных слоев кластеры — «островки». Этим грешат большинство экспериментально созданных гетероструктур, что демонстрирует актуальность проведения отсутствующих на сегодняшний день теоретических исследований Ф/С структур с неоднородными слоями.

«Помимо того, что мы имеем дело с физикой магнетизма и физикой сверхпроводимости, что само по себе очень сложно, в процесс вмешивается еще и физика неоднородных систем — речь идет о явлениях суперпарамагнетизма, суперспин-стекольного состояния. Это сильно меняет общую картину», — прокомментировал Владимир Жакетов.

Свежие работы цикла проводились с другим ферромагнетиком — гадолинием, относящимся к группе редкоземельных элементов и проявляющем слабые ферромагнитные свойства благодаря низкой температуре Кюри (примерно 12 °С) — температуре, выше которой материал теряет свои магнитные свойства.

«Важно отметить, что в таких структурах ферромагнетизм, как правило, сильнее сверхпроводимости — он может ее подавить, уничтожить; поэтому ферромагнетизм нужно ослабить различными подходами, чтобы уравнять обменное взаимодействие между ними», — подчеркнул ученый.

Ученые ЛНФ изучили взаимодействие слоев гадолиния со слоями сверхпроводника ниобия. Еще одно преимущество гадолиния: он практически не проникает в ниобий, и границы разделов «ниобий — гадолиний» получаются резкими. При этом важно изначально создать хорошую, однородную структуру без шероховатостей.

«Слабые редкоземельные ферромагнетики в целом проникают в окружающий материал намного меньше, чем ферромагнетики переходной группы: железо, кобальт, никель — все перечисленные элементы сильно растворяются в ниобии», — отметил Владимир Жакетов.

Две научных статьи об эффектах, возникающих в гетероструктурах, содержащих гадолиний, были опубликованы в журнале Physical Review B [12], [13].

В сверхпроводящих ферромагнитных структурах ученые ЛНФ ОИЯИ обнаружили проявление следующих явлений: криптоферромагнетизм, спин-триплетное куперовское спаривание, спонтанную вихревую фазу и обратный эффект близости — намагничивание сверхпроводящего слоя.

Метод рефлектометрии поляризованных нейтронов создан и развивается в ОИЯИ на спектрометре РЕМУР — одной из научных установок реактора ИБР-2. Этот метод исследования магнитных гетероструктур позволяет определить распределение намагниченности и оптического потенциала по глубине структуры. Суть метода заключается в том, что сколлимированный пучок нейтронов падает на образец под углом и отражается; отраженный пучок регистрируется и измеряется зависимость коэффициента отражения от переданного волнового вектора.

«Далее эта зависимость обрабатывается, происходит подгонка теоретического расчета под экспериментальную зависимость, определяются различные параметры структуры. Это очень мощный метод, „заточенный” на исследование наноразмерного ферромагнетизма», — подчеркнул Владимир Жакетов.

Он пояснил, что метод нейтронной рефлектометрии имеет преимущество по сравнению с широко распространенной рентгеновской рефлектометрией: в отличие от рентгена, нейтроны позволяют исследовать магнитные явления в материалах, а рентген — только структурные свойства.

«Здесь используется наличие у нейтрона магнитного момента. Грубо говоря, в магнитном поле у нейтрона может быть два спиновых состояния: спин нейтрона направлен либо по полю, либо против. Мы можем подготавливать либо то, либо другое спиновое состояние и отражать данные пучки нейтронов от исследуемой структуры. При отражении от структуры нейтрон может сохранить свой спин, а может перевернуть. Нейтроны с переворотом спина позволяют исследовать неколлинеарную магнитную систему со сложным магнитным упорядочением», — рассказал ученый.

В исследованиях гетероструктур Ф/С группа ученых ЛНФ ОИЯИ использовала и комплементарные методы: рентгеновское рассеяние, сквид-магнитометрию, резистивные измерения, в которых определяется зависимость сопротивления структуры от температуры, вторичную нейтральную масс-спектрометрию. Рефлектометрия поляризованных нейтронов постепенно заменит некоторые из этих методов. На установке РЕМУР развиваются дополнительные моды регистрации вторичного излучения, что позволит делать элементный анализ структуры — в одном нейтронном эксперименте можно будет получать намного больше необходимой информации.

Исследования сверхпроводящих и магнитных наносистем с помощью нейтронного рассеяния продолжаются. Идет анализ экспериментальных данных, которые были получены до остановки реактора ИБР-2 в 2021 году; ведется модернизация установки РЕМУР, продумываются варианты дальнейших экспериментов.

За цикл работ «Магнетизм ферромагнитно-сверхпроводящих неоднородных слоистых структур» коллектив авторов: Виктор Аксенов, Владимир Жакетов, Юрий Никитенко, Александр Петренко (ЛНФ ОИЯИ), Юрий Хайдуков (НИИЯФ МГУ) — был отмечен второй Премией ОИЯИ 2022 года в номинации «Научно-исследовательские экспериментальные работы».

В этот цикл работ не вошло исследование, в котором вместо гадолиния были использованы слои других редкоземельных элементов — диспрозия и гольмия. Статья по этой работе опубликована в журнале «Физика твердого тела» в 2023 г. (том 65, вып. 7). Магнетизм данных элементов еще слабее, и данные магнетики имеют нетривиально магнитное упорядочение и геликоидальную магнитную структуру. Гетероструктуры на основе диспрозия и гольмия требуют дальнейшего изучения, в том числе с использованием дополнительных методов. Магнитометрические измерения образцов будут проведены в Екатеринбурге в Институте физики металлов Уральского отделения РАН. ЛНФ ОИЯИ тесно сотрудничает с ИФМ, у которого большой опыт в работе с редкоземельными элементами. После возобновления работы реактора будет дополнительно проведен послойный магнитный анализ Ф/С структур, содержащих диспрозий и гольмий.

«Эта сложная магнитная система более прозрачна для сверхпроводимости, сверхпроводимости будет туда легче проникать, и в ней ожидаются еще более интересные эффекты», — подытожил Владимир Жакетов.

Источник: ОИЯИ.