Учёные обнаружили перестройку магнитных вихрей в квазикристаллическом сверхпроводнике
Учёные НИЯУ МИФИ, МФТИ и НИУ ВШЭ обнаружили ранее неизвестный эффект в сверхпроводниках на основе квазикристаллов. Исследователи показали, что при изменении температуры магнитные вихри Абрикосова способны перестраиваться из апериодической структуры, связанной с атомным узором квазикристалла, в классическую треугольную решётку.
Квазикристаллы отличаются от обычных кристаллов тем, что их атомы образуют упорядоченные, но неповторяющиеся структуры. При этом они могут обладать элементами симметрии, которые невозможны для периодических кристаллических решёток. Первым такой материал в 1982 году обнаружил израильский физик Дан Шехтман, изучая быстро охлаждённые алюминиево-марганцевые сплавы. Дифракционная картина указывала на пятерную ось симметрии, тогда как классическая кристаллография допускала только симметрию второго, третьего, четвёртого и шестого порядков.
В 1984 году Шехтман и его коллеги опубликовали результаты исследования и ввели термин «квазикристалл». Это открытие привело к пересмотру представлений об атомном порядке в твёрдых телах, а в 2011 году Шехтман получил Нобелевскую премию по химии. С момента открытия были синтезированы сотни квазикристаллов, наиболее распространёнными из которых стали материалы на основе алюминиевых сплавов.
В том же 2011 году было доказано, что квазикристаллы способны существовать и в природе. Исследователи обнаружили природный квазикристалл в метеорите, найденном в Корякском нагорье в России. Это показало, что подобные структуры могут формироваться без искусственного синтеза, вероятно, в условиях высоких температур и давлений.
Долгое время считалось, что квазикристаллы не могут быть сверхпроводниками. Причиной считались их низкая электронная проводимость и локализованные электронные состояния. Однако в 2018 году была обнаружена сверхпроводимость в квазикристаллическом сплаве алюминия, цинка и магния Al-Zn-Mg при температуре около 0,05 К. В 2024 году исследователи обнаружили сверхпроводящий квазикристалл в системе Ta-Te с критической температурой около 1 К. Эти результаты показали, что сверхпроводимость возможна даже в апериодических структурах.
В новой работе учёные сосредоточились на поведении магнитных вихрей в квазикристаллическом сверхпроводнике. Для описания такой структуры широко используется решётка Пенроуза — квазипериодическая мозаика из узких и широких ромбов, покрывающих двумерное пространство без периодического повторения. Она обладает пятерной симметрией, запрещённой для обычных кристаллов.
Структура решётки Пенроуза неоднородна: число связей, соединяющих один узел с соседними, может составлять от трёх до семи, а на границе встречаются узлы всего с одной или двумя связями. Такая геометрическая неоднородность влияет на локализацию электронов и приводит к формированию непериодических пространственных структур.
Эти особенности отражаются на распределении параметра порядка сверхпроводника — величины, характеризующей состояние сверхпроводящей системы. В некоторых областях квазикристалла параметр порядка оказывается существенно подавлен. Такие области энергетически выгодны для размещения вихрей Абрикосова, поэтому становятся естественными центрами их закрепления.
В обычном разупорядоченном сверхпроводнике похожую роль могут играть примеси и структурные дефекты. В квазикристалле же центры закрепления вихрей возникают непосредственно из геометрии упорядоченной, но непериодической решётки. Поэтому распределение вихрей может отражать характерную симметрию квазикристаллической структуры.
Исследователи Лаборатории теоретической физики конденсированного состояния вещества кафедры 70 НИЯУ МИФИ совместно с коллегами из МФТИ и НИУ ВШЭ предположили, что между влиянием этих естественных центров закрепления вихрей и взаимодействием самих вихрей возникает конкуренция, зависящая от температуры.
Расчёты показали, что при температурах, близких к абсолютному нулю, вихри преимущественно закрепляются в естественных ловушках, сформированных квазикристаллической решёткой. Из-за непериодичности структуры эти центры расположены нерегулярно, поэтому вихри образуют сложный апериодический узор, связанный с мозаикой квазикристалла. В этом режиме атомарная структура материала непосредственно определяет расположение вихрей.
При повышении температуры ситуация меняется. Вихри постепенно освобождаются от естественных центров закрепления, а их взаимное взаимодействие начинает преобладать над влиянием квазикристаллической решётки. В результате они перестраиваются в регулярную треугольную решётку Абрикосова — классическую конфигурацию магнитных вихрей в сверхпроводниках, предсказанную теоретически ещё в 1957 году.
Таким образом, температура позволяет переключать структуру вихревой материи между двумя состояниями. При низкой температуре вихри следуют сложному апериодическому узору квазикристалла, а при приближении к критической температуре сверхпроводимости формируют регулярную треугольную решётку. При этом изменяется и степень влияния атомной структуры на макроскопическое поведение сверхпроводника.
Обнаруженный эффект показывает, что квазикристаллическая структура может не просто определять свойства сверхпроводника, но и управлять пространственной организацией его магнитных вихрей. Это создаёт возможность исследовать температурное переключение между состояниями вихревой материи и влияние непериодического атомного порядка на коллективное поведение сверхпроводящих систем.
Исследование в журнале Physical Review B.