Pesquisadores da França e da Rússia ofereceram uma explicação teórica para o comportamento de um material recém-descoberto que combina propriedades supercondutoras e ferromagnéticas. O novo modelo teórico também prevê efeitos até agora não observados em materiais deste tipo. O estudo foi publicado em Cartas de revisão física .

Ferromagnetismo e supercondutividade são, de certa forma, duas tendências opostas que aparentemente não podem coexistir em um cristal. De fato, um supercondutor acomoda uma corrente elétrica com resistência zero. Quando colocado em um campo magnético, tal material expulsa aquele campo de sua massa no que é conhecido como efeito Meissner. Por contraste, um ferromagneto é magnetizado e, portanto, carrega um campo magnético em seu volume. Apareceria, Portanto, que um material não pode exibir simultaneamente supercondutividade e ferromagnetismo.

Contudo, compostos à base de európio surgiram recentemente como o foco da atenção da pesquisa, quando as observações mostraram que eles podiam exibir simultaneamente ferromagnetismo e supercondutividade. Além de sua importância para a ciência fundamental, a coexistência desses dois fenômenos em um material oferece possibilidades intrigantes para o design de dispositivos. Ele mantém a promessa de spintrônica supercondutora, isso é, dispositivos que trabalham com informações codificadas por spins, sem dissipação.

Um ímã de geladeira comum é um exemplo de ferromagneto cujo chamado ponto de Curie fica acima da temperatura ambiente. Abaixo dessa temperatura crítica, um material ferromagnético é magnetizado devido ao alinhamento paralelo dos momentos magnéticos intrínsecos, ou gira, de elétrons da camada externa. Pode parecer contra-intuitivo, mas abaixo na escala microscópica, a natureza dessa ordenação espontânea é elétrica, em vez de magnética:a energia de interação de Coulomb dos elétrons em um ferromagneto é mais baixa para a configuração de spin paralelo. Como resultado, cada rotação pode ser considerada como residente em uma média, ou troca, campo gerado pelos outros spins.

Por que o ferromagnetismo destrói a supercondutividade

Existem dois mecanismos que mediam a interação de elétrons supercondutores e momentos magnéticos. Nomeadamente, o eletromagnético e o de troca.

Predito em 1956 por Vitaly Ginzburg, o mecanismo eletromagnético envolve a triagem das correntes de Meissner. Como afirmado acima, um campo magnético externo não penetra na massa de um supercondutor. Para compensar o campo externo em massa, as correntes de blindagem correm ao longo da superfície do supercondutor. A geração dessas correntes faz com que a energia aumente. Se o campo externo for mais forte do que um determinado valor crítico, a energia adicionada devido às correntes de blindagem excede a energia de condensação. Torna-se mais favorável para o supercondutor fazer a transição para o estado normal e permitir o campo na massa. Uma vez que as magnetizações típicas em ferromagnetos são muito maiores do que os campos críticos de supercondutores, o ferromagnetismo homogêneo destrói a supercondutividade.

O mecanismo de troca envolve uma interação entre o campo de troca de um ferromagneto e os elétrons, permitindo a supercondutividade. Estes são, na verdade, estados ligados de dois elétrons com momentos e spins opostos, pares chamados Cooper. O campo de troca tende a alinhar os spins do elétron em paralelo entre si, destruindo pares de Cooper e, portanto, supercondutividade. Isso é conhecido como efeito paramagnético.

Como o ferromagnetismo pode coexistir com a supercondutividade

Acontece que um material pode exibir simultaneamente as propriedades ferromagnéticas e supercondutoras, desde que um dos estados ordenados não seja uniforme. De fato, um campo não uniforme é rastreado em menor grau. Isso significa que uma estrutura magnética não uniforme não destruirá a supercondutividade por meio do mecanismo eletromagnético. Levando apenas a interação de troca em consideração, o surgimento de estrutura magnética não uniforme no estado supercondutor foi previsto já em 1959. O período dessa estrutura é muito menor do que o tamanho característico de um par de Cooper. Como resultado, na escala de um par de Cooper, o campo de câmbio médio diminui, e quando surge o ferromagnetismo, não destrói a supercondutividade. Conforme a temperatura desce, em algum ponto, o campo de troca atinge o limite paramagnético, e então a supercondutividade desaparece. Infelizmente, para todos os supercondutores ferromagnéticos previamente conhecidos, a janela de temperatura acomodando ferromagnetismo e supercondutividade simultâneos foi de apenas cerca de 0,1 kelvins.

"As primeiras pesquisas sobre magnetismo não uniforme em supercondutores ferromagnéticos consideravam apenas a interação eletromagnética. No entanto, logo descobriu-se que isso não era aplicável a nenhum material conhecido na época:a interação de troca sempre foi dominante. Isso levou a uma suspensão temporária da pesquisa com foco no mecanismo eletromagnético, "O co-autor do estudo Zhanna Devizorova do Laboratório MIPT de Optoeletrônica para Materiais 2-D disse.

Novas oportunidades surgiram assim que os supercondutores ferromagnéticos à base de európio se tornaram disponíveis. Um composto de európio dopado com fósforo, ferro, e arsênio com a fórmula EuFe ₂ Como ₂ é um exemplo. O que torna este material notável é que o efeito paramagnético que destrói a supercondutividade é fortemente suprimido nele, e a interação eletromagnética domina. A razão para isso é que o ferromagnetismo em EuFe dopado com P ₂ Como ₂ é fornecido pelos elétrons localizados das camadas 4f dos átomos de európio, enquanto a supercondutividade é mediada pelos elétrons de condução 5d do ferro. Neste composto, os átomos de európio são posicionados de tal forma que os elétrons responsáveis ​​pela supercondutividade são relativamente independentes daqueles responsáveis ​​pelo ferromagnetismo. Os dois subsistemas são virtualmente autônomos. Isso resulta em um campo de troca muito fraco atuando nos elétrons de condução.

A supressão do efeito paramagnético em EuFe ₂ Como ₂ significa que o ferromagnetismo e a supercondutividade coexistem em uma faixa bastante ampla de temperaturas. É, portanto, um excelente material para pesquisa experimental nas fases exóticas que surgem devido ao domínio do mecanismo eletromagnético e exibem essas duas ordenações distintas ao mesmo tempo. Por exemplo, no ano passado, uma equipe de físicos experimentais do MIPT e de outros lugares usou esse material para visualizar a estrutura magnética de tais fases usando microscopia de força magnética.

Agora, esses dados experimentais foram explicados qualitativamente por uma teoria apresentada no estudo aqui relatado. Seus autores demonstram como a estrutura magnética não uniforme com um perfil de magnetização sinusoidal gradualmente se transforma em uma estrutura do tipo domínio conforme a temperatura desce. Esta estrutura denominada domínio de Meissner foi experimentalmente observada em EuFe ₂ Como ₂ entre 17,8-18,25 Kelvins. O período da estrutura provou ser substancialmente menor do que em um ferromagneto regular. Isso decorre do impacto da supercondutividade.

O resfriamento adicional desencadeia uma transição de primeira ordem para o estado de vórtice ferromagnético caracterizado pela coexistência de vórtices de Abrikosov e domínios ferromagnéticos. A equipe calculou os parâmetros desta transição. Em um supercondutor, um vórtice é uma entidade com um campo magnético em seu núcleo. É filtrado de fora pelas correntes de Meissner. Os pesquisadores mostraram que o tamanho dos domínios no estado de vórtice é virtualmente o mesmo que em um material ferromagnético regular. A teoria proposta no estudo também prevê um novo efeito:as paredes do domínio acomodando vórtices de Abrikosov perpendiculares aos vórtices nos domínios.

"Desenvolvemos uma teoria de estados magnéticos não uniformes em supercondutores ferromagnéticos, em que a interação eletromagnética entre supercondutividade e ferromagnetismo domina, "Devizorova acrescentou." Além de descrever qualitativamente os dados experimentais recentes sobre tais estados no EuFe ₂ Como ₂ , prevemos um novo efeito, que agora pode ser testado experimentalmente. "

Neste ponto, o estudo cai no reino da ciência fundamental. Contudo, ao compreender a interação entre ferromagnetismo e supercondutividade, dispositivos híbridos podem ser projetados mais tarde, que usaria materiais supercondutores e ferromagnéticos e seria útil para spintrônica.