Физики экспериментально обнаружили новое квантовое состояние сверхпроводника, в котором материал становится источником магнитного поля. Достигнутый результат важен как с точки зрения фундаментальной науки, так и для разработки сверхпроводящих устройств. Статья опубликована в журнале Nature Physics.

Сверхпроводимость — это явление, при котором электрическое сопротивление материала становится строго нулевым. Переход образца в такое состояние происходит при охлаждении ниже критической температуры — она определяется свойствами вещества. В настоящее время сверхпроводимость широко применяется в технике, однако полного теоретического описания этого явления ученые до сих пор не разработали.

Квантовые свойства сверхпроводника делают его идеальным диамагнетиком — материалом, которому энергетически выгодно иметь нулевое внутреннее магнитное поле. В результате сверхпроводимость и магнетизм становятся конкурентами: обычно они проявляются только по отдельности, а для совместного их возникновения нужно поддерживать специальные условия.

Ученые из шести стран под руководством Вадима Гриненко (Vadim Grinenko) из Института физики твердого тела и исследования материалов Ассоциации Лейбница в Дрездене экспериментально изучили сверхпроводимость в кристалле Ba_1−xK_xFe₂As₂. Авторы исследовали образцы с различным содержанием примесей калия и бария (в химической формуле их определяет параметр х), и следили за тем, как состав материала влияет на его сверхпроводящие и магнитные особенности.

Для анализа этих свойств физики облучали кристаллы поляризованным (то есть обладающим заданной ориентацией магнитных моментов) пучком положительно заряженных мюонов и детектировали частицы, которые рождались при взаимодействии этого пучка с образцом. Такие измерения позволили исследователям понять, как именно материал воздействовал на магнитные моменты частиц, и, таким образом, определить его магнитную структуру.

В результате физики установили, что при достаточно большом относительном содержании калия (x>0.7) и низкой температуре (около 10 К) материал переходит в особое квантовое состояние, в котором начинает генерировать собственное магнитное поле.

Таким образом, ученые обнаружили ранее неизвестный механизм сосуществования магнетизма и сверхпроводимости. Это открытие порождает новое направление для экспериментальных и теоретических исследований и в будущем может найти применение при разработке сверхпроводящих устройств. Кроме того, авторы выявили связь между условиями, которые приводили к возникновению обнаруженного состояния, и условиями Лифшиц-перехода — известного квантового превращения, меняющего энергетическую конфигурацию электронов. Последнее облегчит поиски подобных свойств у других кристаллов.