Abaixo da temperatura de transição ferromagnética, o material gera pares de vórtice-antivórtex devido aos efeitos das correntes de Meissner de triagem espontânea. Setas grossas indicam a direção dos vetores de magnetização, e as setas finas mostram a direção da corrente. Na vista lateral, um círculo com um círculo dentro é uma ponta de seta fina, e um círculo com uma cruz é uma ponta de seta fina. Crédito:Elena Khavina / MIPT
Físicos russos do MIPT se uniram a colegas estrangeiros para um estudo experimental inovador de um material que possui propriedades supercondutoras e ferromagnéticas. Em seu artigo publicado em Avanços da Ciência , os pesquisadores também propõem uma solução analítica que descreve as transições de fase únicas em tais supercondutores ferromagnéticos.
Supercondutores ferromagnéticos
A equipe de pesquisa internacional estudou um composto monocristalino de európio, ferro, e arsênico, dopado com fósforo com a fórmula EuFe 2 (Como 0,79 P 0,21 ) 2 . Uma vez resfriado a 24 Kelvin, ou −249,15 graus Celsius, este material exibe resistência elétrica zero, tornando-se um supercondutor. Se resfriado ainda mais, abaixo de 18 K, ele adquire propriedades ferromagnéticas. Em particular, sofre magnetização espontânea em campo magnético zero aplicado, como ferro, que é usado para fazer ímãs permanentes.
Notavelmente, o ferromagnetismo, neste caso, não destrói a supercondutividade. Esta coexistência de magnetismo e supercondutividade tem sido um objeto de interesse tanto para físicos teóricos quanto para pesquisadores que investigam novos materiais com potencial para aplicações em eletrônica convencional e de alta corrente.
Do ponto de vista teórico, supercondutores ferromagnéticos são interessantes como materiais que exibem propriedades distintas em diferentes faixas de temperatura. Ao contrário deles, supercondutores convencionais são diamagneticos perfeitos. Isso é, campos magnéticos não penetram dentro deles, porque um campo externo induz correntes de blindagem na superfície do supercondutor. Essas correntes resultam em um momento magnético que neutraliza o campo externo.
A estrutura de cristal do composto examinado no estudo. As esferas rosa representam os átomos de arsênio e fósforo. Os átomos de ferro e európio são mostrados em laranja e azul, respectivamente. Crédito:Elena Khavina / MIPT
As propriedades magnéticas e elétricas dos materiais estão interligadas, assim, os supercondutores ferromagnéticos "peculiares" atraíram a atenção dos cientistas. Ao investigá-los, é possível compreender melhor a natureza da supercondutividade como um fenômeno quântico macroscópico. Talvez esta linha de pesquisa possa até mesmo lançar luz sobre as perspectivas de supercondutores que funcionariam perto da temperatura ambiente, que até agora aparentemente caem no reino da fantasia.
Em materiais ferromagnéticos, as magnetizações das partículas constituintes se alinham espontaneamente abaixo de uma certa temperatura, chamado de ponto Curie. Isso resulta na formação de regiões uniformemente magnetizadas chamadas de domínios, cuja interação determina o campo magnético geral do material. Acima da temperatura de Curie, a ordenação magnética é perdida.
Ferromagnets são usados na indústria para fazer vários dispositivos que armazenam ou processam informações codificadas em mídia magnetizada. Exemplos familiares de armazenamento magnético são os discos rígidos, fita de gravação, e tarjas magnéticas em cartões de crédito.
A coexistência de ferromagnetismo e supercondutividade pode ter potencial do ponto de vista prático. Contudo, para desenvolver aplicações tecnológicas desta combinação de propriedades de materiais, engenheiros e físicos precisam entender os processos que ocorrem em supercondutores ferromagnéticos em mais detalhes.
Imagens de microscopia de força magnética de uma região de 8 mícrons por 8 mícrons na amostra em várias temperaturas. A imagem D mostra um estado de vórtice de Abrikosov regular em uma temperatura acima da temperatura de transição ferromagnética, mas abaixo do ponto de Curie. O estado é gerado pelo campo magnético externo, que é característico de todos os supercondutores do tipo II. As imagens E e F mostram o domínio de Meissner e os estados do domínio de vórtice, respectivamente. Os esquemas G-I ilustram os casos correspondentes acima. A letra M designa o momento magnético, e jS significa corrente supercondutora. Crédito:Vasily Stolyarov et al./Science Advances
Nova fase Meissner
Para descobrir o que acontece na superfície do cristal investigado no estudo, os pesquisadores usaram um microscópio de força magnética. Isso permitiu que eles criassem um mapa 3-D de alta resolução mostrando a distribuição do campo magnético próximo à superfície da amostra em várias temperaturas. Uma vez que o material foi resfriado abaixo de seu ponto de Curie, ou cerca de 18 K, o mapa revelou domínios magnéticos. Em 19-24 K, o mapa mostra vórtices de Abrikosov, que são um traço característico dos supercondutores. Além do mais, a equipe revelou uma nova fase que existe um pouco abaixo do ponto Curie, entre 17,8 e 18,25 K, e se manifesta como domínios de Meissner.
O efeito Meissner-Ochsenfeld refere-se à expulsão de um campo magnético de um supercondutor durante sua transição para o estado supercondutor. O material resiste à penetração das linhas externas do campo magnético. Como resultado, o campo magnético externo induz correntes supercondutoras de Meissner em uma fina camada de material próximo à superfície da amostra.
Os autores da pesquisa relatada nesta história descobriram experimentalmente uma nova fase do efeito Meissner - chamada de domínios de Meissner - e observaram sua transformação em "domínios de vórtice". A noção de domínio de Meissner refere-se à estrutura periódica resultante das correntes espontâneas de Meissner geradas pela blindagem do subsistema magnético interno de átomos de európio. A transição é uma consequência dos fluxons magnéticos espontâneos opostamente orientados em domínios de Meissner sendo quantizados uma vez que um campo magnético crítico para o supercondutor dado tenha sido alcançado.
Variando a temperatura no decorrer de seu experimento, os pesquisadores traçaram a transição da amostra de uma fase para outra.
Amostra de resfriamento. As setas amarelas indicam o par vórtice-antivórtex, à medida que é gerado (N), separa (O), e diverge ainda mais (P). Os autores observam que o processo é observado em junções de domínio chamadas de deslocamentos Y (como em M) ou no local de um vórtice pré-existente. Crédito:Vasily Stolyarov et al./Science Advances
Vasily Stolyarov, um co-autor do artigo, comentou sobre os resultados do estudo:"Pela primeira vez na história, mostramos o que acontece na superfície dos supercondutores ferromagnéticos recentemente descobertos. Esta é a primeira observação dos chamados domínios de Meissner e a transição dos domínios de Meissner para domínios de vórtice, que ocorre quando pares de vórtice-antivórtex são gerados espontaneamente em domínios de Meissner, neutralizando as correntes de Meissner de blindagem nos domínios vizinhos. A geração espontânea do par vórtice-antivórtex de Abrikosov em um supercondutor homogêneo não foi observada antes, apesar deste fenômeno ser previsto teoricamente e indiretamente inferido a partir de pesquisas sobre o transporte de elétrons. "
"Nossas descobertas abrem novos caminhos na física moderna da supercondutividade, "diz Stolyarov, que é vice-chefe do Laboratório de Fenômenos Quânticos Topológicos em Sistemas Supercondutores do MIPT. "Os resultados do estudo estabelecem as bases para futuras pesquisas teóricas e experimentais fundamentais nos processos que ocorrem em supercondutores em escala atômica. Estamos preparando uma série de artigos detalhando nossa pesquisa em materiais semelhantes, e esta publicação é a primeira de seu tipo. "
O físico acrescentou que a transição de fase investigada no estudo pode ser usada para controlar processos que ocorrem no supercondutor. Em particular, este fenômeno pode ajudar a controlar os vórtices de Abrikosov no cristal e formar pares únicos de vórtice-antivórtex, que é útil para desenvolver eletrônicos com base em materiais supercondutores híbridos.
