Магнетизм подвижен: физики выяснили, почему сверхпроводники ведут себя не так, как ожидалось

Ученые из лаборатории компьютерного дизайна материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ предложили новую теоретическую модель, которая объясняет загадочные магнитные свойства высокотемпературных сверхпроводников. Главный вывод их работы звучит неожиданно: чтобы правильно описать такие материалы, важно учитывать не только пространственную структуру магнетизма, но и его динамику во времени. Именно временная «жесткость» спиновых взаимодействий оказалась ключом к многолетнему противоречию между теорией и экспериментом. Исследование, поддержанное Российским научным фондом (грант № 24-12-00186), опубликовано в разделе Letters журнала Physical Review B.

Высокотемпературная сверхпроводимость уже почти сорок лет остается одной из самых трудных загадок физики конденсированного состояния. С тех пор как в 1986 году были обнаружены материалы, способные проводить ток без сопротивления при относительно высоких температурах, ученые пытаются объяснить, почему они работают именно так.
Особое место в этих исследованиях занимают купраты — сложные оксиды меди. В своем исходном состоянии они представляют собой антиферромагнетики: спины электронов выстраиваются в упорядоченный противоположно направленный «шахматный» рисунок, и материал ведет себя как изолятор. Но достаточно внести небольшое количество примесей — легировать структуру, — и ситуация радикально меняется: материал становится сверхпроводником, а магнитный порядок рушится.
При этом идеальный дальний магнитный порядок исчезает полностью, оставаясь лишь в виде небольших разрозненных «островков». Расстояние, на котором такие магнитные корреляции сохраняются, называют корреляционной длиной. Именно вокруг нее и возникла долговременная загадка. Эксперимент показывал: эти «островки» чрезвычайно малы — порядка нескольких межатомных расстояний. А вот теоретические модели предсказывали куда большие величины.

Физики из МФТИ решили проанализировать источник расхождения. Их внимание привлек параметр, который в предыдущих моделях обычно считался постоянным, — спиновая жесткость. Она бывает двух видов: пространственная, отвечающая за изменение магнитного порядка от точки к точке, и временная, связанная с динамикой спинов во времени. Именно временная жесткость традиционно считалась величиной неизменной.
Исследователи пересмотрели это предположение, детально проанализировав калибровочные свойства микроскопических моделей. В их более полной теоретической конструкции временная спиновая жесткость стала зависеть от частоты колебаний — стала динамической. Такая модель позволила корректно описать, как магнитная система реагирует на возмущения различной частоты.

Результат оказался поразительным. Оказалось, что по мере роста частоты временная спиновая жесткость резко снижается. Эффект можно сравнить с тем, как твердая структура «размягчается» при быстрых колебаниях. Это приводит к подавлению квантовых флуктуаций и мешает магнитному порядку распространяться на большие расстояния. Итоговые вычисления корреляционной длины оказались удивительно короткими — и почти идеально совпали с экспериментальными данными для классического купрата La₂₋ₓSrₓCuO₄.

На основе новой модели ученые построили фазовую диаграмму купратов — карту магнитных состояний материала при разных температурах и уровнях легирования. Эта карта предсказала существование лишь узкой области примесей, где при низких температурах возможно формирование устойчивого магнитного порядка. Это совпадает с тем, что уже известно экспериментально.

Андрей Катанин, главный научный сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, отмечает: «Мы показали, какой механизм играет решающую роль. Теперь можно развивать модель дальше, добавляя локальные флуктуации, влияние беспорядка и другие важные эффекты. Каждый такой шаг приближает нас к созданию полноценной теории высокотемпературной сверхпроводимости — теории, которая однажды может привести к созданию принципиально новых материалов».

Иван Горемыкин, сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов, аспирант кафедры вычислительной физики конденсированного состояния и живых систем МФТИ, добавляет: «Статичная картина не работает. Чтобы понимать такие системы, нужно учитывать их динамику. Это как смотреть не на одну фотографию толпы, а на видеозапись — только так видны настоящие взаимодействия. Наш подход показывает, что именно временные процессы определяют хрупкость магнитного порядка, наблюдаемую в экспериментах».

Исследование не только объясняет конкретный парадокс в физике купратов, но и подчеркивает значимость динамических эффектов во всем классе сильно коррелированных электронных систем. Такие материалы — от сверхпроводников до экзотических магнитов — лежат в основе будущих технологий. Понимание того, как именно магнетизм и сверхпроводимость взаимодействуют друг с другом, остается одним из ключевых вызовов современной физики. И новая модель становится важным шагом на пути к его решению.

Источник: Загадочный магнетизм сверхпроводников: динамика во времени оказалась важнее пространства — За науку