Сверхпроводники оказались невиновны: магнетизм был там всегда, просто его не видели

Долгое время казалось, что некоторые сверхпроводники способны "включать" магнетизм в момент перехода в особое состояние. В экспериментах действительно появлялись магнитные сигнатуры ровно ниже критической температуры, и это выглядело как прямое доказательство: сверхпроводимость рождает магнитные эффекты. Однако новая теоретическая работа предлагает другой взгляд — магнетизм там был всегда, просто его не удавалось увидеть. Об этом говорится Алин Рамирес из Института физики твёрдого тела при TU Wien.

Почему сверхпроводимость считали источником магнетизма

Сверхпроводимость — это режим, при котором материал проводит ток без сопротивления, обычно при очень низких температурах. Само явление хорошо изучено, но его связь с магнетизмом оставалась спорной. В некоторых соединениях исследователи фиксировали магнитные признаки именно в момент, когда вещество становилось сверхпроводником. Отсюда и появилась популярная интерпретация: существует "экзотическая" форма сверхпроводимости, которая якобы сама порождает магнетизм.

Новая теория уточняет, что такая логика слишком прямолинейна. По данным Рамирес, сверхпроводимость не создаёт магнетизм, а лишь меняет условия так, что скрытые эффекты становятся доступными для измерений. То есть проблема была не в появлении нового явления, а в том, что старое долго оставалось незаметным.

Симметрия обращения времени и её связь с магнитными эффектами

Ключ к объяснению лежит в понятии симметрии обращения во времени. Многие процессы в физике выглядят одинаково, если мысленно "прокрутить время назад". Но магнетизм к таким явлениям не относится: при обращении времени направление магнитных эффектов меняется. Поэтому нарушение симметрии обращения времени считается надёжным маркером магнитной природы.

Именно такие "разрывы" симметрии наблюдали в ряде экспериментов, причём часто — сразу после перехода материала в сверхпроводящее состояние. В качестве примеров приводятся стронций рутенат (Sr₂RuO₄) и некоторые слоистые материалы.

"Разрывы в симметрии обращения во времени наблюдались, например, в материале стронций рутенат (Sr₂RuO₄), а также в некоторых слоистых материалах, — говорит Алин Рамирес. - Сначала всё казалось логичным, предполагая, что это особенный, хиральный тип сверхпроводимости, способный вызывать магнитные эффекты".

Почему результаты экспериментов начали противоречить друг другу

Со временем стало ясно, что картина не складывается. Некоторые измерения показывали магнитные сигнатуры даже выше температуры сверхпроводящего перехода. В других случаях разные методы давали несовместимые данные, хотя исследователи изучали одни и те же материалы.

"Мы знали, что что-то здесь не сходится, но никто не мог сказать, в чём объяснение этих странных противоречий", — говорит Рамирес.

Новая работа как раз и пытается объяснить эти несостыковки: магнетизм не возникал внезапно, а присутствовал заранее, просто проявлялся по-разному в зависимости от структуры материала и условий измерения.

Альтер-магнетизм: "скрытая" форма, которую сложно уловить

В центре новой интерпретации находится альтер-магнетизм — сравнительно недавно описанная форма магнитного порядка. Он отличается и от ферромагнетизма, и от антиферромагнетизма.

В ферромагнетиках электронные спины выстраиваются в одном направлении. В антиферромагнетиках соседние спины направлены противоположно и взаимно компенсируются, поэтому "суммарного" магнетизма почти нет. В случае альтер-магнетизма соседние спины тоже ориентированы противоположно, но расположены в кристалле асимметрично: один тип спинов находится в неэквивалентных условиях по сравнению с другим.

"В возрастном магнетизме соседние спины также указывают в противоположные стороны, но пространственное расположение одного типа спинов не совсем эквивалентно пространственному расположению другого, — объясняет Рамирес. - Поэтому материалы, связанные с возрастом, ведут себя принципиально иначе".

Эта асимметрия уже достаточна, чтобы нарушать симметрию обращения времени, даже если материал не проявляет магнетизм в привычном бытовом смысле.

Как сверхпроводимость делает "невидимое" заметным

Главная идея работы — сверхпроводимость выступает не источником магнетизма, а своеобразным "проявителем". В некоторых кристаллах альтер-магнитные эффекты маскируются из-за пространственных симметрий, которые мешают их зафиксировать стандартными методами.

Например, эффект Керра — один из способов обнаружения магнитных свойств через изменение поляризации света — может не сработать, если симметрия материала "гасит" измеримый сигнал. Но при переходе в сверхпроводящее состояние часть этих пространственных симметрий может нарушаться, и тогда скрытый магнетизм становится заметным экспериментально.

"Когда наступает сверхпроводимость, некоторые из этих пространственных симметрий могут быть нарушены — и это делает ранее скрытые эффекты измерими", — говорит Рамирес.