Wie romantisch ist Elektromagnetismus? Werfen wir einen Blick auf die „Liebe und den Hass“ zwischen Supraleitung und Spinwellen

Autor: Luo Huiqian Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

In festen Materialien gibt es zwei elektromagnetische Phänomene, die immer miteinander in Konflikt stehen: Supraleitung und Ferromagnetismus. Doch vor kurzem behaupteten einige Wissenschaftler, sie hätten die beiden zusammengebracht und miteinander interagieren lassen. Was ist los? Welche wichtigen Einsatzmöglichkeiten wird es in Zukunft haben? Heute sprechen wir über die Hassliebe zwischen Supraleitung und Spinwellen.

Wenn es um Supraleitung geht, kann man es einfach als „Supraleitfähigkeit“ verstehen. Das heißt, manche Materialien weisen unterhalb einer bestimmten Temperatur eine sehr starke Leitfähigkeit auf, so stark, dass der Widerstand vollständig auf Null verschwindet. Supraleiter haben nicht nur absolut keinen Widerstand, sie sind auch völlig diamagnetisch. Mit anderen Worten, seine Reaktion auf das externe Magnetfeld ist negativ, und zwar vollständig negativ. Sobald der supraleitende Zustand vollständig erreicht ist, werden alle externen Magnetfelder aus dem Körper vertrieben und das antimagnetische Volumen erreicht 100 %. Der Diamagnetismus von Supraleitern ist am stärksten. Der Unterschied wird durch einen Vergleich mit anderen diamagnetischen Materialien in der Natur deutlich. Beispielsweise hat pyrolytischer Graphit ein diamagnetisches Volumen von nur 0,04 %. Das gewöhnliche Wasser in unserem täglichen Leben ist ebenfalls diamagnetisch, aber das diamagnetische Volumen beträgt nur erbärmliche 0,001 %, also ein Hunderttausendstel.

Vollständiger Diamagnetismus von Supraleitern

Beim Ferromagnetismus, also dem Magnetismus eines Magneten, handelt es sich im Wesentlichen um die Existenz magnetischer Momente in den Atomen im Inneren des Materials. Sie sind gleichmäßig angeordnet und bilden eine kleine magnetische Domäne, die einen kleinen Magneten darstellt. Anschließend werden diese magnetischen Domänen wieder ordentlich angeordnet, was als „spontane Magnetisierung“ bezeichnet wird, sodass das Material als Ganzes einen starken Magnetismus aufweist. Der stärkste Permanentmagnet ist Neodym-Eisen-Bor, der etwa 0,5 T erreichen kann. Wenn er Ihre Schlüssel einmal festsaugt, wird es schwierig sein, sie herauszuziehen.

Warum sagen wir, dass Supraleitung und Ferromagnetismus „Feinde“ sind? Der Hauptgrund dafür, dass Supraleiter einen Nullwiderstand und völligen Antimagnetismus erreichen können, liegt darin, dass die leitfähigen Elektronen in ihrem Inneren eine „paarungskohärente Kondensation“ durchlaufen. Das heißt, Elektronenpaare mit entgegengesetztem Impuls halten sich an den Händen, und diese Elektronenpaare bewegen sich auch in einem gemeinsamen Rhythmus, um ein Ganzes zu bilden. Es gibt einen hochtrabenden Begriff, um sie zu beschreiben: „makroskopischer Quantenkondensationszustand“. Das Magnetfeld ist der Schuldige hinter der Zerstörung dieses makroskopischen Quantenkondensationszustands. Wenn das Magnetfeld nicht zu stark ist, können die Elektronen ihm kollektiv widerstehen, sodass ein vollständiger Antimagnetismus leicht erreicht werden kann. Sobald das Magnetfeld jedoch in den Supraleiter eindringt, müssen die Elektronenpaare einen Weg finden, ihm entgegenzuwirken. Daher umkreisen sie die magnetischen Flusslinien in die entgegengesetzte Richtung, um es zu erzwingen. Bei einem stärkeren Magnetfeld können die Elektronenpaare der magnetischen Anziehungskraft nicht mehr standhalten und werden schließlich getrennt, wodurch der Nullwiderstand des Supraleiters vollständig zerstört wird.

Aus diesem Grund erforschen wir die Supraleitung in ferromagnetischen Materialien selten und verwenden Supraleiter und Ferromagnete selten zusammen. Doch vor kurzem haben Wissenschaftler vom niederländischen Delft Institute of Technology auf sehr kreative Weise Supraleiter in die Struktur ferromagnetischer Materialien eingebaut und dabei auch den starken Diamagnetismus der Supraleiter genutzt, um die magnetischen Wechselwirkungen innerhalb des Materials zu verändern. Der im Experiment beobachtete Effekt besteht darin, dass sich die ferromagnetische Spinwelle verändert – also der Tanz ferromagnetischer magnetischer Momente auf mikroskopischer Ebene, der Wellencharakteristik besitzt. Durch das Eingreifen des supraleitenden Diamagnetismus verändern sich ihre Wellenlänge und Ausbreitungsrichtung. Wie wird das gemacht?

Sie entschieden sich für ein sehr häufig verwendetes ferromagnetisches Material – Yttriumgranat, das einen starken Ferromagnetismus aufweist und Spinwellen bei niedrigen Temperaturen deutlich erkennen kann. Ihre Methode des „Sehens“ ist ebenfalls sehr fortschrittlich und verwendet die Diamant-Farbzentrum-Abbildung. Da Diamanten häufig eine kleine Menge an Stickstoffatom-Leerstellen enthalten und sehr empfindlich auf Magnetfelder reagieren, können optische Methoden verwendet werden, um Änderungen im Diamantspektrum zu beobachten und so zu bestimmen, ob an dieser Stelle ein Magnetfeld vorhanden ist und wie stark dieses Magnetfeld ist. Vereinfacht ausgedrückt: Streuen Sie einfach eine Schicht feiner Diamantkristalle auf eine transparente Folie und machen Sie dann ein Foto. Diese Methode mag etwas „luxuriös“ erscheinen, ist aber nicht so teuer, wie Sie denken.

Schematische Darstellung des Versuchsschemas

Als nächstes bedeckten sie die Oberfläche des Yttriumgranats mit einer Schicht aus einem Supraleiter aus einer Molybdän-Rhenium-Legierung (MoRe) mit einer kritischen Temperatur von 8,7 K und bauten auf beiden Seiten des Supraleiters eine Goldbrücke, um das Diamant-Farbzentrum-Erkennungsarray zu überbrücken. Oberhalb der Supraleitungstemperatur, also 10,7 K, sahen sie dünne Streifen, bei denen es sich um ferromagnetische Spinwellen handelt – den Tanz ferromagnetischer magnetischer Momente auf mikroskopischer Ebene. Es weist Welleneigenschaften auf und sieht daher aus wie Wasserkräuselungen. Wenn die Temperatur dann auf 5,5 K gesenkt wird, wird die Molybdän-Rhenium-Legierung supraleitend. Zu diesem Zeitpunkt bewirkt der starke Diamagnetismus, dass die Spinwellen nach beiden Seiten gedrängt werden und das Muster der Spinwellen unter dem Supraleiter spärlicher wird, d. h. die Wellenlänge wird größer. das Muster auf beiden Seiten des Supraleiters wird etwas dichter, das heißt, die Wellenlänge wird kürzer. Die Forscher haben außerdem die Struktur des Geräts geschickt gestaltet und festgestellt, dass sich die Richtung der ferromagnetischen Spinwelle ändern kann. Beispielsweise kann der Supraleiter als „Spiegel“ fungieren, der die Spinwelle wie reflektiertes Licht zurückwirft. Die reflektierte Spinwelle kann auch mit der einfallenden Spinwelle interferieren, was sehr interessant ist!

Experimentelle Messergebnisse

Auf der Grundlage theoretischer Modelle und experimenteller Daten ermittelten sie außerdem die London-Eindringtiefe von Supraleitern. Diese steht in Zusammenhang mit einem wichtigen physikalischen Parameter, der die Dichte der Elektronenpaare misst, die für die Leitung in Supraleitern verantwortlich sind, und kann zur Untersuchung des Mechanismus der Supraleitung verwendet werden. Darüber hinaus könnte es in Zukunft möglich sein, verschiedene supraleitende „Spiegel“, „Sender“, „Gitter“, „Filter“, „Lichtwellenleiter“ usw. zu entwickeln, um ferromagnetische Spinwellen zu steuern, was neue Möglichkeiten für die Regelung magnetischer Flussgeräte eröffnen würde.

Andererseits ist Supraleitung nicht mit allen Spinwellen unvereinbar. Wenn das Materialsystem antiferromagnetisch ist, konkurriert die Existenz antiferromagnetischer Spinwellen mit großer Reichweite normalerweise mit der Supraleitung, aber antiferromagnetische Fluktuationen mit kurzer Reichweite können zur Paarung der Supraleitung beitragen. Mit anderen Worten: Wenn magnetische Atome nicht im Gleichklang einen Square Dance tanzen, sondern stattdessen in einem kleinen Kreis Walzer tanzen, wobei Männer und Frauen zusammenarbeiten, dann wird sich die Supraleitung dennoch in diese Melodie verlieben. Durch supraleitende Paarung können mit Hilfe antiferromagnetischer Fluktuationen sehr hohe Temperaturen erreicht werden. Zu dieser Kategorie gehören die uns bekannten Hochtemperatur-Supraleiter, darunter Kupferoxide und eisenbasierte Hochtemperatur-Supraleiter.

Da Supraleitung und ferromagnetische Spinwellen nicht länger miteinander unvereinbar sind, können wir in Zukunft möglicherweise mehr supraleitende und magnetische Verbundwerkstoffe erwarten, um praktischere und besser nutzbare elektromagnetische Komponenten zu konstruieren!

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autorenname: Luo Huiqian

Gutachter: Guo Jing, Forscher, Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.