Электрическое сопротивление URhGe (показано цветом) в зависимости от температуры и магнитного поля. Черные области (нулевое сопротивление) отвечают сверхпроводимости (изображение с сайта sciencemag.org)
Опыты физиков из Гренобля показывают, что сильное магнитное поле наводит в кристаллах URhGe совершенно новый тип магнитной упорядоченности и возрождает в нем сверхпроводимость, утраченную при более слабых полях.
Сверхпроводимость — падение электрического сопротивления до нуля — является одним из макроскопических проявлений квантового взаимодействия электронов в твердых телах. Это явление довольно «хрупкое» и легко разрушается как от высокой температуры, так и от сильного магнитного поля. Современная физика сверхпроводников настойчиво ищет способы преодоления этих ограничений, подбирая материалы, которые бы оставались в сверхпроводящем состоянии при как можно более высоких температурах и в присутствии как можно более сильных магнитных полей. Поиск этот, как правило, идет методом проб и ошибок, однако в случае успеха сулит большую практическую выгоду.
Результаты исследований французских физиков, опубликованные в статье F. Levy et al., Science 309, 1343 (26 August 2005), открывают совершенно новый подход к проблеме сверхпроводимости в сильном магнитном поле. Вместо того чтобы бороться с нежелательным влиянием магнитного поля, можно попытаться создать такие материалы, в которых магнитное поле, наоборот, помогает возникновению сверхпроводимости.
Авторы этой работы изучали сопротивление образца URhGe (уран-родий-германий) и обнаружили совершенно уникальное его поведение с ростом приложенного магнитного поля. Сверхпроводимость «держалась» в образцах вплоть до магнитных полей около 2 тесла, что является довольно значительной величиной даже помимо всякой сверхпроводимости. При повышении напряженности поля сверхпроводимость разрушалась, однако когда магнитное поле превышало 8 тесла, сверхпроводимость возникала вновь! Более того, при таких полях сверхпроводимость оставалась в материале даже при чуть более высоких температурах, чем в отсутствии магнитного поля (см. рисунок).
В принципе, и раньше наблюдались материалы, в котором сверхпроводимость сосуществовала с ферромагнетизмом и даже возникала в магнитных полях (см., например, заметку Сверхпроводимость, появляющаяся в очень высоких магнитных полях). Однако в тех случаях все было прозаично: внешнее магнитное поле компенсировало спонтанную намагниченность ферромагнитного материала, «поощряя», таким образом, возникновение сверхпроводимости. В случае URhGe ситуация совершенно иная — здесь никакой компенсации нет. Внешнее поле в этом случае создает некоторый новый тип магнитной упорядоченности, что можно заметить по развороту оси намагниченности, и некоторым, не до конца пока ясным способом, доводит материал до сверхпроводящего состояния.
Важнейшим моментом этой работы был тот факт, что поиск сверхпроводимости осуществлялся уже не вслепую. Еще несколько лет назад было понято, что если критическую точку вещества удастся с помощью внешних воздействий (давления, магнитного поля) сместить как можно ближе к абсолютному нулю (т. е. получить квантовую критическую точку, см. подробности в обзоре С. М. Стишов, «Квантовые фазовые переходы», УФН, 2004, вып.8), то вблизи такой точки будут иметь место квантовые фазовые переходы и, возможно, возникнет сверхпроводимость. Именно это и удалось осуществить французам.
Стоит, наконец, подчеркнуть, что ключевую роль в этом достижении сыграла технология получения сверхчистых кристаллов URhGe. Авторы отмечают, что даже малейшие примеси разрушали новый тип поведения материалов.