Teoria explica comportamento supercondutor ferromagnético

Instituto de Física e Tecnologia de Moscou Seguir Jul 11 · 5 min ler Ilustração. Crédito: @tsarcyanide / MIPT Assessoria de Imprensa

Pesquisadores da França e da Rússia ofereceram uma explicação teórica para o comportamento de um material recém-descoberto que combina propriedades supercondutoras e ferromagnéticas. O novo modelo teórico também prevê efeitos até agora não observados em materiais desse tipo. O estudo foi publicado na Physical Review Letters .

O ferromagnetismo e a supercondutividade são, de certo modo, duas tendências opostas que aparentemente não podem coexistir em um cristal. De fato, um supercondutor acomoda uma corrente elétrica com resistência zero. Quando colocado em um campo magnético, esse material expulsa esse campo do seu volume no que é conhecido como o efeito Meissner. Em contraste, um ferromagneto é magnetizado e, portanto, carrega um campo magnético em seu volume. Parece, portanto, que um material não pode exibir simultaneamente supercondutividade e ferromagnetismo.

No entanto, os compostos baseados em európio emergiram recentemente no foco da atenção da pesquisa, quando as observações mostraram que podiam exibir simultaneamente ferromagnetismo e supercondutividade. Além de sua importância para a ciência fundamental, a coexistência desses dois fenômenos em um único material oferece possibilidades intrigantes para o design de dispositivos. Ele mantém a promessa de spintrônica supercondutora, ou seja, dispositivos que trabalham com informações codificadas por spins, sem dissipação.

Um imã de geladeira comum é um exemplo de um ferromagneto cujo chamado ponto de Curie está acima da temperatura ambiente. Abaixo dessa temperatura crítica, um material ferromagnético é magnetizado devido ao alinhamento paralelo do momento magnético intrínseco, ou spins, dos elétrons da camada externa. Pode parecer contraintuitivo, mas na escala microscópica, a natureza dessa ordenação espontânea é mais elétrica que magnética: a energia de interação de Coulomb dos elétrons em um ferromagneto é menor para a configuração de spin paralelo. Como resultado, cada rotação pode ser considerada como residindo em um campo médio, ou de troca, gerado pelos outros spins.

Por que o ferromagnetismo destrói a supercondutividade

Existem dois mecanismos mediando a interação de elétrons supercondutores e momentos magnéticos. Ou seja, o eletromagnético e o de troca.

Previsto em 1956 por Vitaly Ginzburg, o mecanismo eletromagnético envolve a triagem das correntes de Meissner. Como dito acima, um campo magnético externo não penetra no volume de um supercondutor. Para compensar o campo externo no volume, as correntes de triagem correm ao longo da superfície do supercondutor. A geração de tais correntes faz com que a energia aumente. Se o campo externo for mais forte que um determinado valor crítico, a energia adicionada devido às correntes de blindagem excede a energia de condensação. Torna-se mais favorável para o supercondutor fazer a transição para o estado normal e permitir que o campo entre em massa. Como as magnetizações típicas nos ferromagnetos são muito mais altas que os campos críticos dos supercondutores, o ferromagnetismo homogêneo destrói a supercondutividade.

O mecanismo de troca envolve uma interação entre o campo de troca do ferromagneto e os elétrons que permitem a supercondutividade. Estes são estados ligados de dois elétrons com momentos e spins opostos, chamados de pares Cooper. O campo de troca tende a alinhar os spins de elétrons em paralelo entre si, destruindo os pares de Cooper e, portanto, a supercondutividade. Isso é conhecido como efeito paramagnético.

Como o ferromagnetismo pode coexistir com a supercondutividade

Descobriu-se que um material pode exibir simultaneamente as propriedades ferromagnéticas e supercondutoras, desde que um dos estados ordenados não seja uniforme. De fato, um campo não uniforme é rastreado em menor grau. Isto significa que uma estrutura magnética não uniforme não destruirá a supercondutividade através do mecanismo eletromagnético. Levando em conta apenas a interação de troca, o surgimento da estrutura magnética não uniforme no estado supercondutor foi previsto já em 1959. O período dessa estrutura é bem menor que o tamanho característico de um par de Cooper. Como resultado, na escala de um par de Cooper, o campo de troca médio diminui e, quando surge o ferromagnetismo, ele não arruína a supercondutividade. À medida que a temperatura diminui, em algum momento o campo de troca atinge o limite paramagnético, e então a supercondutividade desaparece. Infelizmente, para todos os supercondutores ferromagnéticos previamente conhecidos, a janela de temperatura acomodando simultaneamente ferromagnetismo e supercondutividade foi apenas cerca de 0,1 kelvins.

“A pesquisa inicial sobre magnetismo não uniforme em supercondutores ferromagnéticos considerou apenas a interação eletromagnética. No entanto, logo se descobriu que isso não era aplicável a nenhum material conhecido naquela época: a interação de troca era sempre dominante. Isso levou a uma suspensão temporária da pesquisa com foco no mecanismo eletromagnético ”, disse a coautora do estudo, Zhanna Devizorova, do Laboratório de Optoeletrônica da MIPT para Materiais 2D.

Novas oportunidades surgiram quando os supercondutores ferromagnéticos baseados em európio se tornaram disponíveis. Um composto dopado com fósforo de európio, ferro e arsênico com a fórmula EuFe?As? é um exemplo. O que torna este material notável é que o efeito paramagnético que destrói a supercondutividade é fortemente suprimido, e a interação eletromagnética predomina. A razão para isso é que o ferromagnetismo em EuFe?As? dopado com P é fornecido pelos elétrons localizados das cascas 4f dos átomos de európio, enquanto a supercondutividade é mediada pelos elétrons de condução 5d do ferro. Neste composto, os átomos de európio são posicionados de tal maneira que os elétrons responsáveis pela supercondutividade são relativamente independentes daqueles responsáveis pelo ferromagnetismo. Os dois subsistemas são virtualmente autônomos. Isso resulta em um campo de troca muito fraco atuando nos elétrons de condução.

A supressão do efeito paramagnético em EuFe?As? significa que o ferromagnetismo e a supercondutividade coexistem em uma ampla gama de temperaturas. É, portanto, um excelente material para pesquisa experimental nas fases exóticas que emergem devido à dominância do mecanismo eletromagnético e exibem essas duas ordenações distintas ao mesmo tempo. Por exemplo, no ano passado, uma equipe de físicos experimentais do MIPT e de outros locais usou esse material para visualizar a estrutura magnética de tais fases usando microscopia de força magnética.

Agora, esses dados experimentais foram qualitativamente explicados por uma teoria apresentada no estudo relatado aqui. Seus autores demonstram como a estrutura magnética não uniforme com um perfil de magnetização sinusoidal se transforma gradualmente em uma estrutura de tipo de domínio à medida que a temperatura diminui. Esta estrutura do chamado domínio de Meissner foi experimentalmente observada em EuFe?As? entre 17.8–18.25 kelvins. O período da estrutura mostrou-se substancialmente menor do que em um ferromagneto comum. Isso decorre do impacto da supercondutividade.

O resfriamento posterior desencadeia uma transição de primeira ordem para o estado de vórtice ferromagnético caracterizado por vórtices Abrikosov coexistentes e domínios ferromagnéticos. A equipe calculou os parâmetros dessa transição. Em um supercondutor, um vórtice é uma entidade com um campo magnético em seu núcleo. É blindado pelo lado de fora pelas correntes de Meissner. Os pesquisadores mostraram que o tamanho dos domínios no estado do vórtice é virtualmente o mesmo que em um material ferromagnético comum. A teoria proposta no estudo também prevê um novo efeito: as paredes do domínio acomodando os vórtices de Abrikosov perpendiculares aos vórtices nos domínios.

"Nós desenvolvemos uma teoria de estados magnéticos não uniformes em supercondutores ferromagnéticos, nos quais a interação eletromagnética entre supercondutividade e ferromagnetismo domina", acrescentou Devizorova. "Além de descrever qualitativamente os dados experimentais recentes sobre esses estados em EuFe?As?, prevemos um novo efeito, que agora pode ser testado experimentalmente".

Neste ponto, o estudo cai no reino da ciência fundamental. No entanto, entendendo a interação entre o ferromagnetismo e a supercondutividade, dispositivos híbridos poderiam ser projetados mais tarde, o que usaria materiais supercondutores e ferromagnéticos e seria útil para a spintrônica.