В МФТИ открыли сжатые вихри в сверхпроводниках

Российский ученый сделал научное 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, 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 2?. Это свойство является следствием квантовой природы сверхпроводимости. Размер кора вихря примерно равен сверхпроводящей длине когерентности xS, являющимся характерном масштабом, на котором меняются сверхпроводящие свойства.

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 нем наводится сверхпроводимость, и появляется своя длина когерентности xN, которая может быть много больше xS. Удивительным свойством данной системы оказалась 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 нем 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 (см. 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.

Рисунок 1. (а) Бислой сверхпроводник-нормальный металл конечной длины L в магнитном поле в плоскости. Нет зависимости сверхпроводящих свойств в направлении z . (б) Результаты должны быть применимы также к сверхпроводящей полосе конечной длины с областью N вблизи края, помещенной в магнитное поле вне плоскости. Источник Physical Review B.

Рисунок 2. Пространственное изменение параметра порядка вдоль бислоя SN при различных магнитных полях. Минимумы в D(x,y) соответствуют расположению ядер вихрей при достаточно малых полях (B/Bc2 =0.032), тогда как при больших полях (B/Bc2=0.1) число минимумов больше числа вихрей, что говорит о появлении предвихревого, пространственно-модулированного состояния. Источник Physical Review B.

«При низких температурах нормальный слой при определенных 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 был наблюден необычный эффект — парамагнитный отклик SN структур (обычно отклик сверхпроводников диамагнитный), что послужило мотивацией для большого ряда теоретических работ с альтернативным объяснением обнаруженного эффекта».