МАГНИ́ТНЫЕ СВЕРХПРОВОДНИКИ́

МАГНИ́ТНЫЕ СВЕРХПРОВОДНИКИ́, ве­ще­ст­ва, ко­то­рые од­но­вре­мен­но об­ла­да­ют маг­нит­ны­ми и сверх­про­во­дя­щи­ми свой­ст­ва­ми. Сверх­про­во­ди­мость ха­рак­те­ри­зу­ет­ся дву­мя фун­дам. свой­ст­ва­ми: от­сут­ст­ви­ем элек­трич. со­про­тив­ле­ния и Мейс­не­ра эф­фек­том. Она пол­но­стью раз­ру­ша­ет­ся, ес­ли маг­нит­ное по­ле пре­вос­хо­дит не­ко­то­рую кри­тич. ве­ли­чи­ну. C од­ной сто­ро­ны, это де­мон­ст­ри­ру­ет ан­та­го­низм маг­не­тиз­ма и сверх­про­во­ди­мо­сти, с дру­гой – воз­мож­ность их со­су­ще­ст­во­ва­ния. Впер­вые эта про­бле­ма сфор­му­ли­ро­ва­на В. Л. Гинз­бур­гом в 1956. Кон­ку­рен­ция этих двух ти­пов упо­ря­до­че­ния (маг­не­тиз­ма и сверх­про­во­ди­мо­сти) обу­слов­ле­на дву­мя ме­ха­низ­ма­ми вза­им­но­го влия­ния сверх­про­во­дя­щих элек­тро­нов и ло­ка­ли­зо­ван­ных маг­нит­ных мо­мен­тов.

Пер­вый – элек­тро­маг­нит­ный (ор­би­таль­ный) ме­ха­низм – осу­ще­ст­в­ля­ет­ся че­рез маг­нит­ное по­ле, ко­то­рое ин­ду­ци­ру­ет­ся маг­нит­ны­ми мо­мен­та­ми и сверх­про­во­дя­щи­ми то­ка­ми и ко­то­рое, в свою оче­редь, влия­ет на них. По­ле, ин­ду­ци­ро­ван­ное маг­нит­ны­ми мо­мен­та­ми, раз­ру­ша­ет сверх­про­во­ди­мость из-за ор­би­таль­но­го эф­фек­та, под ко­то­рым по­ни­ма­ют дви­же­ние элек­тро­нов ку­пе­ров­ской па­ры в маг­нит­ном по­ле по разл. кру­го­вым ор­би­там; раз­ли­чие ор­бит свя­за­но с про­ти­во­по­лож­ным на­прав­ле­ни­ем им­пуль­сов спа­рен­ных элек­тро­нов (см. Ку­пе­ра эф­фект). При дос­ти­же­нии маг­нит­ным по­лем кри­тич. зна­че­ния дви­же­ние элек­тро­нов по раз­ным ор­би­там при­во­дит к на­ру­ше­нию их спа­ри­ва­ния.

Вто­рой ме­ха­низм обу­слов­лен об­мен­ным взаи­мо­дей­ст­ви­ем элек­тро­нов, уча­ст­вую­щих в фор­ми­ро­ва­нии этих двух ти­пов упо­ря­до­че­ния. Мик­ро­ско­пич. тео­рия сверх­про­во­ди­мо­сти (Бар­ди­на – Ку­пе­ра – Шриф­фе­ра мо­дель) по­ка­за­ла, что сверх­про­во­ди­мость мо­жет быть раз­ру­ше­на па­ра­маг­нит­ным эф­фек­том. Этот эф­фект за­клю­ча­ет­ся в том, что маг­нит­ное по­ле дей­ст­ву­ет на спи­ны ку­пе­ров­ской па­ры и раз­ру­ша­ет синг­лет­ную (спи­ны элек­тро­нов па­ры ан­ти­па­рал­лель­ны) сверх­про­во­ди­мость.

Как пра­ви­ло, ор­би­таль­ный эф­фект до­ми­ни­ру­ет при раз­ру­ше­нии сверх­про­во­ди­мо­сти. Од­на­ко в фер­ро­маг­не­ти­ках на спи­ны элек­тро­нов дей­ст­ву­ет силь­ное об­мен­ное по­ле со сто­ро­ны маг­нит­ных ато­мов. Его энер­гия со­став­ля­ет 100–1000 К, что пре­вос­хо­дит кри­тич. темп-ру сверх­про­вод­ни­ков. Это об­стоя­тель­ст­во объ­яс­ня­ет, по­че­му сре­ди от­кры­тых в 1980-х гг. пер­вых М. с. не бы­ло фер­ро­маг­не­ти­ков. Боль­шин­ст­во этих со­еди­не­ний ти­па TrRh₄B₄ и TrMo₆S₈ (где Tr – ред­ко­земель­ный ме­талл) яв­ля­ют­ся ан­ти­фер­ро­маг­нит­ны­ми сверх­про­вод­ни­ка­ми. По ме­ре по­ни­же­ния темп-ры они пе­ре­хо­дят в сверх­про­во­дя­щее со­стоя­ние, а за­тем в них по­яв­ля­ет­ся ан­ти­фер­ро­маг­нит­ное упо­ря­до­че­ние маг­нит­ных мо­мен­тов ред­ко­зе­мель­ных ато­мов. В ан­ти­фер­ро­маг­не­ти­ке сред­ние об­мен­ное и ор­би­таль­ное по­ля ста­но­вят­ся рав­ны­ми ну­лю, и в ре­зуль­та­те ан­ти­фер­ро­маг­не­тизм мо­жет со­су­ще­ст­во­вать со сверх­про­во­ди­мостью. В свою оче­редь, сверх­про­во­ди­мость так­же прак­ти­че­ски не влия­ет на ан­ти­фер­ро­маг­не­тизм. В кон. 1990-х гг. был от­крыт др. класс ан­ти­фер­ро­маг­нит­ных сверх­про­вод­ни­ков – TrNi₂B₂C.

Не­обыч­ная, т. н. воз­врат­ная, сверх­про­во­ди­мость бы­ла об­на­ру­же­на в HoMo₆S₈ (1985) и ErRh₄B₄ (1986). При низ­ких темп-рах эти со­еди­не­ния яв­ля­ют­ся фер­ро­маг­нит­ны­ми нор­маль­ны­ми ме­тал­ла­ми. При по­ни­же­нии темп-ры они пе­ре­хо­дят в сверх­про­во­дя­щее со­стоя­ние при кри­тич. темп-ре Т_кр. При даль­ней­шем ох­ла­ж­де­нии ни­же темп-ры Кю­ри Т_С в них вме­сто фер­ро­маг­не­тиз­ма воз­ни­ка­ет не­од­но­род­ное маг­нит­ное упо­ря­до­че­ние с пе­рио­дом ок. 10^–8 м. Тем­пе­ра­тур­ный ин­тер­вал со­су­ще­ст­во­ва­ния та­ко­го не­од­но­род­но­го маг­не­тиз­ма и сверх­про­во­ди­мо­сти не­ве­лик и со­став­ля­ет 0,05–0,1 К. При даль­ней­шем по­ни­же­нии темп-ры сверх­про­во­ди­мость раз­ру­ша­ет­ся, а не­од­но­род­ный маг­нит­ный по­ря­док пре­вра­ща­ет­ся в фер­ро­маг­нит­ный, т. е. на­блю­да­ет­ся воз­врат­ный пе­ре­ход в нор­маль­ное фер­ро­маг­нит­ное со­стоя­ние. Воз­ник­но­ве­ние не­од­но­род­но­го маг­не­тиз­ма вме­сто фер­ро­маг­не­тиз­ма пред­ска­за­но в ра­бо­те Ф. Ан­дер­со­на и англ. фи­зи­ка-тео­ре­ти­ка Х. Су­ла (1959).

Пер­вые фер­ро­маг­нит­ные сверх­про­вод­ни­ки бы­ли от­кры­ты в нач. 21 в. Это со­еди­не­ния UGe₂ (2000) и URhGe (2001). В UGe₂ сверх­про­во­ди­мость воз­ни­ка­ет при внеш­нем дав­ле­нии p = (1÷1,5)·10⁹ Па c макс. кри­тич. темп-рой лишь Т_кр ≈ 0,7 К, од­на­ко темп-ра Кю­ри при этом срав­ни­тель­но вы­со­ка (10–30 К). В URhGe сверх­про­во­ди­мость су­ще­ст­ву­ет при от­сут­ст­вии внеш­не­го дав­ле­ния с T_кр ≈ 0,3 К, а Т_С ≈ 10 К. При та­ких вы­со­ких зна­че­ни­ях темп-ры Кю­ри су­ще­ст­во­ва­ние пе­ре­хо­да в сверх­про­во­дя­щее со­стоя­ние озна­ча­ет, что ку­пе­ров­ское спа­ри­ва­ние долж­но быть три­плет­ным (с па­рал­лель­ной ори­ен­та­ци­ей спи­нов). Т. о., эти фер­ро­маг­нит­ные сверх­про­вод­ни­ки – ред­кий при­мер три­плет­ной сверх­про­во­ди­мо­сти. Под­твер­жде­ни­ем это­го слу­жит и силь­ная чув­ст­ви­тель­ность кри­тич. темп-ры к чис­то­те кри­стал­лов.

Фер­ро­маг­нит­ные сверх­про­вод­ни­ки со­че­та­ют маг­нит­ные и сверх­про­во­дя­щие свой­ст­ва в од­ном со­еди­не­нии, что от­кры­ва­ет ши­ро­кие пер­спек­ти­вы для их при­ме­не­ния.