Научный сотрудник Института физики микроструктур РАН (Нижний Новгород) и МФТИ (Долгопрудный) сделал открытие в области сверхпроводимости — он обнаружил, что в тонкий слой нормального металла (N), покрывающий сверхпроводник, могут входить и там находиться вихри, несмотря на малую толщину N слоя, а также в N слое может существовать пространственно-модулированное безвихревое состояние. Работа была опубликована в Physical Review B.

Известно, что магнитное поле может проникать в сверхпроводники II рода в виде вихрей, называемых иногда вихрями Абрикосова в честь их первооткрывателя академика РАН Алексея Абрикосова, получившего Нобелевскую премию за их теоретическое предсказание. Вихрь в сверхпроводнике состоит из практически нормального ядра/кора (области с подавленной сверхпроводимостью) и сверхтоков, текущих вокруг него. Все вихри одинаковые, так как существует фундаментальное свойство, говорящее о том, что набег фазы сверхпроводящего параметра порядка вокруг кора должен быть равен 2π. Это свойство является следствием квантовой природы сверхпроводимости. Размер кора вихря примерно равен сверхпроводящей длине когерентности xS.

В новом исследовании было обнаружено, что в тонкий нормальный слой, покрывающий сверхпроводник, могут входить и там располагаться вихри. Известно, что из-за проникновения сверхпроводящих электронов в нормальный слой в нём наводится сверхпроводимость, и появляется своя длина когерентности xN, которая может быть много больше xS. Удивительным свойством данной системы оказалось возможность размещения в N слое вихрей, несмотря на его малую толщину dN<<xN. Этот результат противоречит устоявшимся представлениям о том, что размер сверхпроводника должен превышать xS или xN, чтобы в нём мог разместиться вихрь.

Коры вихрей в SN-гибриде оказываются сильно сжатыми в N слое из-за его малой толщины, в тоже время часть кора проникает в сверхпроводник. Оказалось, что такие вихри могут «входить и выходить» из нормального металла необратимым образом, приводя к гистерезису кривой намагниченности, что напоминает свойства обычного сверхпроводника.

Денис Водолазов построил математическую модель, опираясь на двумерное уравнение Гинзбурга-Ландау. Ему удалось смоделировать кривые намагниченности и изменение числа вихрей в тонком нормальном слое в зависимости от величины внешнего поля.

В модели Гинзбурга-Ландау «сила сверхпроводимости» описывается параметром порядка D, который описывает долю «сверхпроводящих электронов». В этой модели считается, что часть электронов находится в сверхпроводящем состоянии, а другая часть — нет. График зависимости параметра порядка D по толщине и длине SN композита, построенный в исследовании, показывает локализацию вихрей и их количество (рисунок 2). Точки минимума параметра порядка соответствуют расположению ядер (коров) вихрей. Однако при увеличении магнитного поля количество минимумов становится больше, и часть из них не соответствует центрам ни одного из вихрей, что говорит о появлении поствихревого или предвихревого состояния (в зависимости от увеличения или уменьшения магнитного поля).

С увеличением магнитного поля вихри начинают выходить из N слоя (что нетипично для обычного сверхпроводника, где их количество увеличивается с ростом поля), однако при этом сохраняется модуляция сверхпроводящего параметра порядка вдоль системы. Это также является неожиданным результатом, так как в обычном сверхпроводнике выход вихрей не приводит к сохранению модуляции D. Такое состояние можно назвать предвихревым, так как при уменьшении/магнитного поля через минимумы D начинают заходить вихри, или поствихревым, так как минимумы сохраняются при увеличении магнитного поля.

«При низких температурах нормальный слой при определённых параметрах может экранировать магнитные поля и проводить сверхпроводящие токи, сравнимые с токами в более традиционных сверхпроводниках, — рассказал Денис Водолазов, научный сотрудник Института физики микроструктур РАН, ведущий научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ. — Основным результатом своего исследования я считаю предсказание о существовании сжатых вихрей и предвихревых состояний в тонких SN композитах. Этот результат расширяет наши представления об условиях, при которых могут существовать вихри в сверхпроводниках, а также о возможных безвихревых состояниях. Возможно, он также позволит объяснить некоторые эксперименты, в которых наблюдался необычный эффект — парамагнитный отклик SN структур (обычно отклик сверхпроводников диамагнитный), что послужило мотивацией для большого ряда теоретических работ с альтернативным объяснением обнаруженного эффекта».

Текст: Игорь Воронцов.
Источник: «За науку».