Физики пересмотрели связь сверхпроводимости и магнетизма в квантовых материалах

Учёные из Венского технического университета (TU Wien) предложили новое объяснение одной из давних загадок физики конденсированного состояния — взаимосвязи между сверхпроводимостью и магнетизмом. Согласно их выводам, в ряде квантовых материалов сверхпроводимость не создаёт экзотические магнитные эффекты, как считалось ранее, а лишь делает заметным уже существующий особый тип магнитного порядка — альтермагнетизм. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Research.

На протяжении многих лет физики пытались понять, почему в некоторых материалах при переходе в сверхпроводящее состояние фиксируются признаки нарушения временной симметрии — характерного признака магнетизма. Особенно много вопросов вызывали эксперименты со стронция рутенатом (Sr₂RuO₄) и рядом слоистых соединений. В этих системах магнитные сигналы появлялись именно на границе перехода в сверхпроводимость, что привело к гипотезе о существовании «хиральной» формы сверхпроводимости, способной сама порождать магнитные эффекты.

Однако со временем в этой картине накопились противоречия. Новые экспериментальные данные показали, что сверхпроводимость в стронция рутенате теоретически не должна вызывать наблюдаемые магнитные явления. Более того, в ряде экспериментов магнитные сигналы фиксировались даже при температурах выше критической, когда материал ещё не переходил в сверхпроводящее состояние.

Физик Алина Рамирес из Института физики твёрдого тела TU Wien предложила альтернативное объяснение, связав эти аномалии с альтермагнетизмом — сравнительно недавно открытым типом магнитного упорядочения. В отличие от ферромагнетиков, где спины электронов ориентированы в одном направлении, и антиферромагнетиков, где они полностью компенсируют друг друга, в альтермагнетиках спины направлены противоположно, но занимают неэквивалентные позиции в кристаллической структуре. Это приводит к нарушению временной симметрии без появления классического магнитного момента.

Ключевым фактором, как показало исследование, является симметрия кристаллической решётки. В некоторых материалах альтермагнетизм может существовать как выше, так и ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние, однако его признаки остаются скрытыми из-за высокой пространственной симметрии. Такие эффекты, как магнито-оптический эффект Керра, просто не проявляются в измерениях.

Переход материала в сверхпроводящее состояние способен частично нарушать эту пространственную симметрию. В результате ранее «невидимые» проявления альтермагнетизма становятся доступными для экспериментального обнаружения. Таким образом, сверхпроводимость в этих системах выступает не источником магнетизма, а своего рода усилителем, позволяющим зафиксировать уже существующий магнитный порядок.

Авторы работы подчёркивают, что такой подход снимает противоречия между экспериментами и теорией и предлагает новую парадигму интерпретации данных. Материалы, которые ранее считались кандидатами на экзотическую форму сверхпроводимости, могут изначально быть альтермагнетиками, а сверхпроводящий переход лишь раскрывает их скрытые свойства.

По мнению исследователей, эти выводы могут существенно повлиять на дальнейшие исследования квантовых материалов и помочь точнее интерпретировать экспериментальные результаты в области сверхпроводимости и магнетизма.