С помощью нанотехнологий бельгийские ученые научились изменять свойства обычных сверхпроводников, в частности, заставлять их переходить в сверхпроводящее состояние ... при приложении магнитного поля.

Рис. 1. a - схема гибридной структуры и схематическое изображение распределения магнитного поля в отсуствии внешнего поля; b - схематически показано результирующее магнитное поле в гибридной структуре при приложении внешнего поля, в области между магнитными частицами поля компенсируют друг друга.

Как известно, сверхпроводимость подавляется магнитным полем. Но существуют и исключения - в некоторых соединениях сверхпроводимость возникает при приложении магнитного поля, причем иногда сверхпроводимость появляется только в очень высоких магнитных полях . Причиной столь необычного поведения является специфика соединений, демонстрирующих нетипичное поведение. В таких сверхпроводниках на электроны проводимости действует эффективное поле, состоящее из двух слагаемых - внешнего магнитного поля и обменного поля (вызванного обменным взаимодействием электронов с магнитными моментами парамагнитных ионов), и в определенном диапазоне полей внешнее магнитное поле компенсируется обменным полем, что и делает возможным существование сверхпроводящего состояния.

Именно возможность такой компенсации, похоже, навела бельгийских ученых на мысль о создании искусственных гибридных структур сверхпроводник/ферромагнетик, в которых сверхпроводящее состояние может возникать во внешнем магнитном поле [1]. Схематически принцип работы предложенной бельгийскими исследователями структуры поясняется на рисунке 1. Давайте нанесем на пленку из самого обычного сверхпроводника упорядоченно расположенные магнитные микро (или нано-) частицы. В отсутствии внешнего магнитного поля сверхпроводимость подавляется полем магнитных частиц (рис. 1a). В случае же, когда к структуре прикладывается внешнее магнитное поле, ситуация изменяется - в области под частицами эффективное поле увеличивается, а в области между частицами - уменьшается (рис. 1b). В результате, в определенном диапазоне полей в области между частицами будет существовать сверхпроводящее состояние.

Для проверки предположения ученые создали гибридную структуру на основе пленки свинца толщиной 85 нм - такая тонкая пленка свинца ведет себя как сверхпроводник второго рода (про сверхпроводники первого и второго рода см. в нашей новости ) - с нанесенными на ее поверхность магнитными частицами Co/Pd (точнее, сверхпроводник и магнитные частицы были разделены тонким слоем германия - см. на рис. 1a). Квадратная решетка магнитных микрочастиц с периодом 1.5 мкм была создана с помощью литографии из тонкой многослойной структуры Co/Pd, выращенной на поверхности сверхпроводника; ось легкого намагничивания частиц была перпендикулярна поверхности сверхпроводника.

Эксперименты проводились при температуре вблизи критической температуры пленки (температуры перехода пленки из нормального в сверхпроводящее состояние). При нулевом магнитном моменте микрочастиц сверхпроводимость, как и положено, существовала только в узком диапазоне полей вблизи нуля (рис. 2d). Если же имелся ненулевой магнитный момент, направленный по оси z (рис. 2e) или против оси z (рис. 2f), то при нулевом внешнем поле образец, наоборот, находился в нормальном (несверхпроводящем) состоянии, и переходил в сверхпроводящее состояние только при приложении поля.

Рис. 2. Изменение сопротивления структуры в зависимости от магнитного поля, буквой N и желтым цветом обозначено нормальное состояние, S и синим цветом - сверхпроводящее состояние.

Итак, ученые смогли продемонстрировать возможность работы обычных сверхпроводников в таких магнитных полях, при которых сверхпроводник сам по себе находился бы в нормальном состоянии. В принципе можно представить себе, что таким образом удастся несколько повысить токонесущую способность сверхпродников (ведь возникающее при пропускании сильного тока магнитное поле подавляет сверхпроводимость), но вряд ли следует ожидать, что полученные с помощью нанотехнологий гибридные структуры сверхпроводник/ферромагнетик найдут применение в промышленных сильноточных устройствах. Зато дополнительная возможность управления состоянием структуры вполне может пригодиться при создании элементов различных устройств, например, квантовых компьютеров.

1. Martin Lange, Margriet J.Van Bael, Yvan Bruynserade, and Victor V.Moshchalkov. Phys.Rev.Lett., v.90, 197006 (2003).

Е.Онищенко