СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ
И МАГНЕТИЗМ: ИГРА ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
Доктор физико-математических наук Александр МЕЛЬНИКОВ, заведующий лабораторией теории мезоскопических систем Института физики микроструктур РАН (г. Нижний Новгород)
Взаимодействие между двумя антагонистическими явлениями — сверхпроводимостью и ферромагнетизмом (СФ) — давно привлекает внимание исследователей. Важность и нетривиальность этого вопроса обсуждалась еще в 1950-х годах в пионерской работе лауреата Нобелевской премии (2003 г.) академика Виталия Гинзбурга. Причем конкуренция сверхпроводящего и магнитного состояний вещества является не только интригующей и красивой физической задачей, она имеет перспективу практического использования в новом классе устройств криоэлектроники -твердотельных приборов (сверхпроводящие спиновые вентили, инверторы фазы и др.), функционирующих при криогенных температурах (ниже 100 К). В формировании одной из ключевых тематик отдела сверхпроводимости Института физики микроструктур РАН, сфокусированных на этих проблемах, решающую роль сыграло международное сотрудничество.
Стоит отметить, что весьма важные работы, стимулировавшие зарождение в нашем институте актуального направления — физика взаимодействия сверхпроводимости и ферромагнетизма, были выполнены в 1990-х годах задолго до установления интенсивных международных контактов. Речь идет
о теоретических исследованиях Геннадия Генкина, Иосифа Токмана и Владимира Скузоваткина по изменению доменной структуры* и зарождению вихрей в слоистых системах сверхпроводник — ферромаг-
*Доменная структура — совокупность макроскопических областей (доменов) магнитоупорядоченного вещества (прим. ред.).
нетик и экспериментальных трудах Юрия Ноздрина по индуцированию вихревого состояния в сверхпроводящей пленке полем магнитной частицы. Увы, во многом по причине слабых международных контактов они остались незамеченными в сверхпроводящем сообществе, не приобрели заметных наукометрических показателей и были впоследствии независимо повторены другими авторами.
Очередной всплеск активности СФ-тематики в ИФМ РАН был вызван как раз развитием междуна-
родных связей: в 2003 г. совместно с профессором Университета Бордо (Франция) доктором физико-математических наук Александром Буздиным мы написали теоретическую работу, посвященную возникновению сверхпроводимости вблизи доменных стенок в ферромагнитных сверхпроводниках и гибридных слоистых структурах сверхпроводник — ферромагнетик. С одной стороны, она была направлена на интерпретацию экспериментов (выполненных, в частности, во французском Гренобле) в со-
Рабочее совещание в Университете Бордо. Участники: Алексей Самохвалов, Александр Мельников, профессор Университета Тор-Вергата г. Рима Андрей Варламов и профессор Университета г. Бордо Александр Буздин.
вершенно новом и удивительном классе соединений типа UGe2, в которых сверхпроводимость появлялась на фоне хорошо развитого магнитного упорядочения. С учетом разрушающего влияния обменного поля ферромагнетика на куперовские пары* с противоположными спинами** электронов (синглет-ное спаривание) экспериментальное обнаружение таких необычных соединений возбудило нешуточный интерес сверхпроводящего сообщества. Однако удивительным образом наша теоретическая заметка послужила мотивацией для совершенно других экспериментов по измерению фазовой диаграммы бислоев сверхпроводник — ферромагнетик с доменной структурой. Здесь возникла довольно простая и в то же время интригующая возможность создания субмикронных сверхпроводящих каналов в области доменных стенок ферромагнетика: управление конфигурацией границ в этом случае дает возможность управлять положением сверхпроводящих каналов и тем самым изменять проводимость системы. Экспериментальная реализация этой задачи началась в те же годы в группе доктора физико-математических наук Виктора Мощалкова в Лёвенском католическом университете (Бельгия), и в сравнительно короткое время ее сотрудники получили весьма обнадеживающие результаты.
*Куперовские пары названы именем американского физика Леона Купера. В 1956 г. он теоретически показал, что вблизи абсолютного нуля электроны проводимости в металле способны формировать пары, объединяющие частицы с равными и противоположно направленными импульсами (прим. ред.).
**Спин — фундаментальное квантовое свойство электрона (прим. ред.).
Возникший таким образом импульс теоретической активности в нашей лаборатории не затух во многом благодаря тому обстоятельству, что мы почувствовали интерес к теме со стороны экспериментаторов. Важно было и то, что к работе удалось подключить активных молодых аспирантов — Дениса Рыжова и Алексея Ала-дышкина. В течение года мы обобщили результаты по доменной сверхпроводимости, а также обнаружили весьма любопытные проявления в гибридных системах эффекта Литтла—Паркса. Открытый в 1962 г. английскими учеными Малкольмом Литтлом и Гордоном Парксом, он является одним из важных подтверждений квантовой природы феномена сверхпроводимости и связан с колебаниями величины критической температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Интересно и другое: часть этой работы авторы выполнили в ходе командировки в США в Аргонскую национальную лабораторию, что можно рассматривать как подтверждение тезиса о важности международных связей.
Следующие шаги в становлении СФ-тематики в институте были сделаны в направлении эксперимента. В группе доктора физико-математических наук Андрея Фраермана успешно завершили работы по управлению джозефсоновским транспортом (токопереносом)* с помощью изменения состояния
*В 1962 г. английский физик Брайан Джозефсон теоретически показал, что протекающий через диэлектрик (изолятор) туннельный сверхпроводящий ток обладает уникальными квантовыми свойствами. За открытие этого явления, вошедшего в литературу под названием «эффекта Джозефсона», автор в 1973 г. получил Нобелевскую премию. В наши дни эффект получил широкое практическое применение — на его основе, в частности, работают сверхчувствительные сверхпроводящие магнитометры и другие устройства (прим. ред.).
Александр Мельников и Александр Буздин на конференции в Казани.
магнитных частиц, помещенных в области джозеф-соновского контакта (твердотельного сверхпроводникового наноэлемента). Затем они трансформировались в задачу изготовления управляемого пи-контакта* на переходе с магнитной частицей, которая решалась в сотрудничестве с коллегами из группы доктора физико-математических наук Валерия Рязанова (Институт физики твердого тела РАН, г. Черноголовка Московской области). Весьма существенную, на мой взгляд, теоретическую поддержку оказывал старший научный сотрудник нашей лаборатории кандидат физико-математических наук Алексей Самохвалов.
Второй важный экспериментальный шаг был сделан Алексеем Аладышкиным в Лёвенском католическом университете в группе Виктора Мощалкова. При этом и в Бельгии, и после возвращения в Афо-нино (деревня в Нижегородской области — фактический адрес Института физики микроструктур РАН) Алексей проявил необычайную целеустрем-
*Пи-контакт — особый тип джозефсоновского перехода, при котором происходит сдвиг фаз волновых функций куперовских пар между сверхпроводящими электродами на значение числа «пи» (отсюда и название) (прим. ред.).
Александр Мельников
в Аргонской национальной лаборатории (США).
ленность, сосредоточившись на экспериментальном поиске именно эффектов доменной сверхпроводимости. Эти усилия завершились неплохим результатом, в чем немалую роль сыграло сотрудничество с бельгийской, а позднее — с немецкой научными группами. Сейчас мы ожидаем от него экспериментального наблюдения доменной сверхпроводимости с помощью новой установки низкотемпературной сканирующей туннельной микроскопии, появившейся в нашем институте. Нельзя не отметить и вклад в развитие СФ-тематики в Афонино теоретика Дениса Водолазова, пришедшего в ИФМ РАН после постдокторантуры в Антверпенском университете (Бельгия).
Перечисленные работы основаны главным образом на одном из возможных механизмов взаимодействия сверхпроводящего и магнитного типов упорядочения, а именно на электродинамическом (орбитальном) механизме. Однако несмотря на разнообразие возможных распределений магнитных полей в доменных структурах, задачи такого типа рано или поздно становятся компилятивными, и возникает насущная необходимость привлечения новой физики. И такой класс задач, связанный с
учетом обменного взаимодействия магнитного момента и электронов сверхпроводника, появился в нашей группе благодаря сотрудничеству с Александром Буздиным и путешествиям по маршруту Афо-нино — Бордо, поддержанным программой научного обмена ENS-Landau. Она была инициирована в 1990 г. Высшей нормальной школой (ENS, Париж) и Институтом теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН (Москва). В случае гибридных СФ-струк-тур влияние обменного взаимодействия на сверхпроводящие электроны оказывается существенным в условиях так называемого эффекта близости, т.е. при не слишком большом сопротивлении границ раздела сверхпроводник — ферромагнетик. Причем, изменяя с помощью внешнего магнитного поля распределение магнитного момента, мы получаем возможность непосредственно управлять и спинами электронов в сверхпроводнике. Кванто-вомеханический характер их движения приводит при этом к весьма нетривиальному кругу явлений, которые можно объединить термином «сверхпроводящая спинтроника» (от англ. Spintronics — SPIN TRansport electrONICS). Среди наиболее известных спинтронных устройств можно назвать джозефсо-новские контакты с перестраиваемыми соотношениями между сверхпроводящим током и разностью фаз волновых функций электронов и спиновые вентили (spin-valves — клапан, затвор), в которых критическая температура перехода контролируется взаимной ориентацией магнитных моментов в магнитных подсистемах (слоях). Инженерия ток-фазового соотношения может быть использована в конструировании кубитов (базовых элементов для хранения информации в квантовом компьютере) и для создания малошумных СКВИД-магнитоме-тров (от англ. Superconducting Quantum Interference Device) — высокоточных устройств для измерен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.