ChemNet
 
Химический факультет МГУ

Научные достижения химического факультета
20.05.2020

Ученые в одной структуре соединили взаимоисключающие свойства

Международная группа исследователей из Германии, России и Японии с участием ученых Химического факультета МГУ синтезировала и изучила 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 ученых опубликовано в журнале Nature Physics.

В повседневной жизни мы обычно используем понятие симметрии в отношении зеркальных объектов – симметричны наши ладони, правый и левый ботинок. Более сложные варианты симметрии, с которыми мы сталкиваемся (поворотная, например) у цветов, сложных орнаментов. Когда речь идет о физических законах, под симметрией предполагают 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 обращенной 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 "обращенном" времени физические величины одинаковы.

Однако некоторые физические системы не симметричны 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 определенной 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 решетку 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 твердого 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 Кельвина (-263 градуса Цельсия) у материала возникает нарушение симметрии по времени. В таком состоянии он генерирует магнитное поле, одновременно находясь во сверхпроводящем состоянии.

Сотрудники Химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова синтезировали ряд соединений Ba1-xKxFe2As2 с различным значением x. Для изучения структуры и магнитных свойств ученые получали монокристаллы в виде тонких пластин с размерами до 1 см. "Получение качественных образцов достаточного размера представляет серьезную 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 ученые определяли магнитную структуру самого кристалла. "Полученные результаты указывают на то, что для ряда сверхпроводников при определенных составах реализуется малоизученная форма магнетизма. Удивительно то, что этот магнетизм порождается сверхпроводимостью, что и 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, доктор наук (Dr. rer. nat.) Вадим Гриненко.

Рисунок 1. Структура спонтанного магнитного поля (левые панели) и спонтанных токов (правые панели), создаваемых сферически-симметричной неоднородностью в пределах s+is и s-is сверхпроводящих состояний. Красные/синие стрелки показывают направление магнитного поля и токов, которые противоположны в состояниях s+is и s-is. Шкала длины по осям дана в единицах длины когерентности сверхпроводимости при нулевой температуре. (Источник – Вадим Гриненко)




Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается  копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору