Алмазная наковальня визуализировала эффект Мейснера с помощью встроенного атома азота

Физики из Франции встроили азотную вакансию в алмазную наковальню и с помощью нее визуализировали магнитное поле, выталкиваемое из сверхпроводника на основе купрата ртути. Ученые добились микрометрового разрешения изображений и определили температуру сверхпроводящего перехода, составив тепловую карту образца. Такая методика поможет быстрее и точнее изучать потенциально сверхпроводящие материалы, отмечают авторы статьи, опубликованной в журнале Physical Review Applied.

Чтобы проверить сверхпроводимость материала, физики в первую очередь измеряют его удельное сопротивление, что вполне логично. Однако большинство кандидатов в сверхпроводники получают при экстремально высоких давлениях в сотни тысяч атмосфер, что ведет ко множественным искажениям пробного электрического сигнала в образце и снижению точности. Тогда исследователи прибегают к другому методу — наблюдению эффекта Мейснера: если материал обладает сверхпроводящими свойствами, то внешнее магнитное поле полностью вытесняется из него.

Но и с эффектом Мейснера не все так просто, поскольку при давлениях выше ста гигапаскалей магнитный сигнал зашумляется фоном, исходящим от прессовой ячейки, в которой закреплен сверхпроводник. Именно поэтому для ученых так важно фиксировать вытеснение магнитного поля с высоким пространственным разрешением.

Жан-Франсуа Рош (Jean-François Roch) из Университета Париж-Сакле совместно с коллегами из Франции зафиксировали эффект Мейснера в сверхпроводнике на основе купрата ртути (HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+δ) с помощью широкоугольной визуализации магнитного поля на основе азотной вакансии в алмазе. При этом ученые добились микрометрового разрешения и составили тепловую карту образца, определив критическую температуру с высокой точностью.

В основу исследования легло явление фотолюминесценции в азотно-замещенной вакансии в алмазе (NV-центр): спектр излучения меняется из-за расщепления частот между состояниями спинового квантового числа (+1 и -1 для NV-центра), а само расщепление в первом приближении прямо пропорционально проекции магнитного поля вдоль оси вакансии. Используя этот феномен, физики превратили алмазную наковальню в квантовый датчик – для этого они встроили в монокристалл алмаза четыре ансамбля NV-центров, распределенных между направлениями кристаллической решетки [111]. В модифицированной наковальне авторы работы закрепили кусочек купрата ртути площадью 50 квадратных микрометров и толщиной 15 микрометров, а затем сжали его до локального давления в четыре гигапаскаля.

Ученые исследовали три сценария взаимодействия магнитного поля с материалом: при температуре 90 кельвин и последующем приложении поля, при охлаждении до критической температуры в 140 кельвин с уже включенным полем и наконец с отключением магнитного поля после достижения критической температуры. Во всех трех случаях физики приложили идентичное магнитное поле с индукцией в три миллитесла, которое выровняли вдоль направления [100]. Когда эффект Мейснера отсутствовал, спектр фотолюминесценции NV-центра состоял из двух линий с высоким суммарным контрастом. Однако при вытеснении магнитного поля из объема образца спектр расщепился на четыре, шесть или восемь пиков в зависимости от того, как были ориентированы вакансии над сверхпроводником.

Помимо этого, исследователи определили критическую температуру образца и получили значение в 139,8 ± 0,7 кельвин, введя общий параметр порядка, который рассчитывался с помощью двумерной корреляции вида коэффициента корреляции Пирсона. Используя такой подход, физики также составили карту критической температуры по всей площади образца и выявили на ней артефакты, которые указали на возможный вклад неоднородностей материала.

Авторы работы отметили, что предложенная широкоугольная визуализация магнитного поля имеет большие перспективы в качестве платформы для изучения сверхпроводников высокого давления, особенно в случае супергидридов, которые состоят из множества фаз с различной стехиометрией и однородностью. Также исследователи подчеркнули, что использованный ими корреляционный анализ обеспечил быстрое определение именно температуры начала сверхпроводящего перехода, но не его ширину.

Подробнее об эффекте Мейснера и других фундаментальных характеристиках сверхпроводников можно прочесть в материале «Ниже критической температуры».