Учёные соединили взаимоисключающие свойства в одной структуре
77 город Москва
- 1250 просмотров
Химики МГУ в составе международной группы исследователей из Германии, России и Японии синтезировали и изучили соединение, которое может одновременно находиться в сверхпроводящем состоянии и генерировать магнитное поле. Сочетание несочетаемого по физическим законам возможно из-за необычной особенности материала – нарушения симметрии при обращении времени. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
В повседневной жизни мы используем понятие симметрии в отношении зеркальных объектов: симметричны наши ладони, правый и левый ботинок. Более сложные варианты симметрии, с которыми мы сталкиваемся (поворотная, например), есть у цветов, сложных орнаментов. Когда речь идёт о физических законах, под симметрией понимают постоянство физических параметров при обращении координат. Одна из таких координат – время. Обращение по времени мы можем себе представить как аудиозапись, которую воспроизводят в обратном направлении. В абсолютном большинстве случаев мы услышим в обращённой записи несвязную белиберду, за исключением палиндромов («А роза упала на лапу Азора»), которые при обратном и прямом прочтении идентичны. Физические законы можно считать аналогами палиндромов, они обладают симметрией по времени: что в «прямом», что в «обращённом» времени физические величины одинаковы.
Однако некоторые физические системы несимметричны по времени, и в координатах «обратного» времени они могут изменять свои свойства. В качестве примера таких систем можно назвать сверхпроводники в особом квантовом состоянии. Ниже определённой температуры они без сопротивления проводят электрический ток и при этом становятся идеальными диамагнетиками – вытесняются из внешнего магнитного поля. Благодаря этой особенности магнит левитирует над сверхпроводником.
Магнетизм и сверхпроводимость – свойства-антиподы: магнетизм возникает в структуре благодаря наличию атомов с неспаренными электронами. А сверхпроводимость предполагает образование пар электронов, которые без энергетических потерь перемещаются через кристаллическую решётку структуры. Ситуация, когда одни электроны «отвечают» за магнитное упорядочение, а другие за сверхпроводимость, трудно реализовать, так как магнитные центры препятствуют образованию электронных пар. Одновременно магнетизм и сверхпроводимость могут возникать только в атомных структурах, в которых возможно спонтанное обращение симметрии по времени. Сотрудники Технического университета и Института физики твёрдого тела и исследования материалов Ассоциации Лейбница (Дрезден, ФРГ), Национального института передовой промышленной науки и технологии (Токио, Япония), а также химического факультета МГУ синтезировали и исследовали такую структуру сверхпроводников состава Ba1-xKxFe2As2 с нарушенной симметрией обращения времени. В формуле вещества х обозначает степень замещения ионов бария ионами калия. Исследователи выяснили, что при x около 0,7 и температуре 10 кельвин (–263 градуса Цельсия) у материала возникает нарушение симметрии по времени. В таком состоянии он генерирует магнитное поле, одновременно находясь в сверхпроводящем состоянии.
Сотрудники химического факультета МГУ синтезировали ряд соединений Ba1-xKxFe2As2 с различным значением x. Для изучения структуры и магнитных свойств учёные получали монокристаллы в виде тонких пластин размерами до 1 см.
«Получение качественных образцов достаточного размера представляет серьёзную задачу, так как важной может казаться каждая мелочь: и материал тигля, и чистота реактивов, и выбранный состав, и температурный режим. Для получения монокристаллов мы использовали собственные наработки», – прокомментировал один из авторов работы, ведущий научный сотрудник химического факультета МГУ д.х.н. Игорь Морозов.
Физики-экспериментаторы под руководством Вадима Гриненко проводили эксперименты по взаимодействию образцов с пучком мюонов. По изменению магнитного момента пучка частиц учёные определяли магнитную структуру самого кристалла. «Полученные результаты указывают на то, что для ряда сверхпроводников при определённых составах реализуется малоизученная форма магнетизма. Этот магнетизм порождается сверхпроводимостью, что делает данное явление особенно интересным. Дальнейшее исследование этого явления открывает новые возможности для создания сверхпроводящих устройств», – пояснил один из ключевых участников исследования, сотрудник Технического университета Дрездена Вадим Гриненко.
Рисунок: структура спонтанного магнитного поля (левые панели) и спонтанных токов (правые панели), создаваемых сферически-симметричной неоднородностью в пределах s+is и s-is
Добавьте свой комментарий