Физики из Массачусетского технологического института (США) и Университета Аугсбурга (Германия) доказали, что на границе раздела двух материалов ферромагнитное упорядочение может уживаться со сверхпроводимостью.

Утверждение о том, что ферромагнетизм и сверхпроводимость относятся к конкурирующим типам упорядочения, многократно проверялось на опыте. Найти основание их несовместимости легко: важнейшей деталью механизма сверхпроводимости считается, как известно, образование связанных куперовских пар, спины частиц в которых противоположны, а обменное взаимодействие, приводящее к ферромагнетизму, стремится выстроить электронные спины совершенно другим образом — параллельно. Проявлением антагонизма можно назвать и то, что сверхпроводник выталкивает магнитное поле, тогда как ферромагнетик концентрирует силовые линии поля в своём объёме.

Тем не менее учёным известно несколько примеров сосуществования магнетизма и сверхпроводимости. Достоверно установлено, что эту редкую комбинацию свойств демонстрируют некоторые трёхмерные сверхпроводящие системы вроде RuSr₂GdCu₂O₈ и системы с тяжёлыми фермионами наподобие UGe₂.

Вопрос о том, могут ли сосуществовать два упомянутых типа упорядочения в двумерной электронной системе, оставался открытым. Контакт двух диэлектриков — алюмината лантана LaAlO₃ и титана стронция SrTiO₃ — как нельзя лучше подходит для исследования такой возможности: на границе раздела этих материалов образуется проводящая двумерная электронная жидкость, сверхпроводящее состояние для которой было найдено экспериментально, а магнитное упорядочение — предсказано теоретически.

Рис. 1. Переход в сверхпроводящее состояние для структуры LaAlO3/ SrTiO3 отмечался при ~120 мК. (иллюстрация из журнала Nature Physics).

Образцы для своих экспериментов авторы создавали методом импульсного лазерного осаждения, разместив на подложке из SrTiO₃ слой LaAlO₃ толщиной в пять элементарных ячеек. Магнитный момент m образцов определялся по величине вращательного момента, равного m × В, где В — вектор индукции внешнего магнитного поля. При индукции в 10 Тл опытная схема позволяла зарегистрировать изменения m, эквивалентные 10^–13–10^–12 А•м².

Как и ожидалось, контакты SrTiO³ и LaAlO³ переходили в сверхпроводящее состояние при температуре в ~120 мК. Ненулевой магнитный момент регистрировался вплоть до 200 К и, что более важно, сохранялся при температуре, значительно уступающей 120 мК.

Другими словами, в некотором температурном диапазоне магнитное упорядочение и двумерная сверхпроводимость уживались друг с другом.

Стоит заметить, что эти результаты были подтверждены в опытах, выполненных научной группой из Национальной ускорительной лаборатории SLAC (США) и Токийского университета (Япония). Здесь в измерениях задействовали СКВИД-магнитометр, который также показал, что ферромагнетизм и сверхпроводимость существуют совместно на границе раздела SrTiO₃ и LaAlO₃.

Рис. 2. Измерительная схема, построенная на базе СКВИД-магнитометра (фото Steve Gladfelter).

Полные версии отчётов американо-германской и американо-японской групп опубликованы в журнале Nature Physics.