Группа ученых из НИЯУ МИФИ, МФТИ и НИУ ВШЭ обнаружила ранее неизвестный эффект в сверхпроводниках на основе квазикристаллов — материалов с уникальной, «запрещенной» классической кристаллографией атомной решетки. В работе, опубликованной в журнале Physical Review B, исследователи впервые продемонстрировали, как магнитные вихри в таких системах меняют свою структуру при изменении температуры.
Квазикристаллы — это удивительный класс материалов, бросающий вызов традиционным представлениям кристаллографии. В отличие от обычных кристаллов, обладающих повторяющейся периодической атомной структурой, квазикристаллы демонстрируют упорядоченные, но не повторяющиеся узоры с типами симметрии, которые ранее считались невозможными в природе.
В 1982 году Дан Шехтман наблюдал необычную дифракционную картину при изучении быстро охлажденных алюминиево-марганцевых сплавов. На ней были видны четкие, характерные для кристаллов пики, однако они указывали на наличие оси симметрии пятого порядка — явление, которое прежде считалось невозможным для твердых тел. Согласно классической кристаллографии, для кристаллов допускались лишь оси симметрии второго, третьего, четвертого и шестого порядков.
В 1984 году Шехтман и его коллеги опубликовали результаты своих исследований, введя термин «квазикристалл». Это открытие заставило ученых пересмотреть фундаментальные принципы атомного упорядочения. Спустя десятилетия, в 2011 году, Шехтман был удостоен Нобелевской премии за свою новаторскую работу. С момента первоначального открытия, сделанного Даном Шехтманом, были синтезированы и подтверждены сотни квазикристаллов. Чаще всего они встречаются в алюминиевых сплавах, хотя известны и многочисленные другие их составы.
Изначально считалось, что квазикристаллы существуют только в искусственных материалах. Однако в 2011 году исследователи обнаружили природные квазикристаллы в метеорите, найденном в Корякском нагорье (Россия). Эта находка доказала, что квазикристаллы могут образовываться в естественных условиях — вероятно, в результате процессов, протекающих при высоких температурах и давлениях.
В течение десятилетий после открытия квазикристаллов в 1984 году считалось, что они не обладают сверхпроводимостью из-за низкой электронной проводимости и локализованных электронных состояний. Однако в 2018 году исследователи совершили прорыв, обнаружив сверхпроводимость в квазикристаллическом сплаве алюминия, цинка и магния (Al-Zn-Mg) при сверхнизких температурах (около 0,05 К) [Nature Communications 9, 154 (2018)]. Позднее, в 2024 году, был найден еще один сверхпроводящий квазикристалл в системе Ta-Te, демонстрирующий сверхпроводимость при несколько более высокой критической температуре (Tc ≈ 1 К) [Nature Communications 15, 1529 (2024)]. Эти открытия доказали, что сверхпроводимость действительно может возникать в апериодических структурах, открывая новые направления для исследований.
Большинство теоретических исследований квазикристаллов сосредоточено на моделях, в основе которых лежит квазикристаллическая структура – решетка Пенроуза, которая представляет собой квазипериодическую структуру из узких и широких ромбов, которые плотно покрывают все двумерное пространство, образуя упорядоченную, но непериодическую структуру. Решетка Пенроуза обладает пятикратной симметрией, запрещенной в обычных кристаллах. Число связей у узлов этой решетки варьируется от трех до семи, а на границе кристалла встречаются узлы с двумя или даже с одной связью. Число связей на узле тесно связано с локализацией электронов, и, таким образом, квазикристаллическая решетка по-разному влияет на поведение электронов, формируя непериодические фрактальные паттерны. Такие нерегулярности в структуре решетки должны отражаться на пространственном распределении сверхпроводящего параметра порядка – величины, характеризующей сверхпроводящие свойства квазикристалла: в некоторых местах решетки параметр порядка оказывается сильно подавленным. Как известно, узлы, на которых параметр порядка подавлен, являются привлекательными для вихрей Абрикосова, которые пиннингуются на таких узлах. Таким образом, особенности структуры квазикристаллической решетки приводят к появлению естественных центров пиннинга, на которых вихрям Абрикосова будет выгодно закрепиться. Особенности решетки здесь играют роль, похожую на эффект примесей в обычном разупорядоченном сверхпроводнике, но, в отличие от обычного сверхпроводника, здесь такие центры пиннинга образуют определенные паттерны на решетки, повторяя ее симметрию.
Эти особенности квазикристаллической решетки явились стимулом для исследования группы ученых Лаборатории теоретической физики конденсированного состояния вещества кафедры 70 НИЯУ МИФИ совместно с учеными МФТИ и НИУ ВШЭ. Авторы предположили, что в квазикристаллах должна наблюдаться перестройка вихрей Абрикосова, обусловленная конкуренцией между температурой и влиянием естественных центров пиннинга.
В работе, опубликованной в журнале Physical Review B показано, что вихри Абрикосова ведут себя в зависимости от температуры двумя кардинально разными способами:
1) При очень низких температурах (близких к абсолютному нулю): вихри «застревают» в естественных дефектах структуры квазикристалла. Из-за непериодичности решетки эти дефекты расположены хаотично, и вихри образуют причудливый, апериодический узор, повторяющий «мозаику» квазикристалла. По сути, квазикристалл сам служит идеальной ловушкой для вихрей.
2) При повышении температуры (вплоть до критической температуры сверхпроводимости): картина меняется: вихри «вырываются» из ловушек, их взаимодействие друг с другом становится сильнее влияния решетки, и они перестраиваются в идеальную треугольную решетку Абрикосова —классическую структуру, которая наблюдается в обычных сверхпроводниках и была предсказана еще в 1957 году.
Этот эффект — «термический переключатель» структуры вихрей – позволяет "включать" и "выключать" влияние атомарного узора на макроскопические свойства сверхпроводника всего лишь с помощью повышения или понижения температуры.
Материал подготовил сотрудник кафедры физики твердого тела и наносистем (№ 70) НИЯУ МИФИ, к.ф.-м.н., доцент Андрей Красавин
