ابررسانای فرومغناطیس

ابررساناهای فرومغناطیس چیستند؟

ابررساناهای فرومغناطیس موادی هستند که در آن‌ها دو پدیده به ظاهر ناسازگار، یعنی فرومغناطیس و ابررسانایی، به‌طور ذاتی در کنار هم ظاهر می‌شوند. نمونه‌های شناخته‌شده این خانواده عبارت‌اند از UGe2، URhGe و UCoGe. در سال ۲۰۰۱، شواهدی از ابررسانایی فرومغناطیسی در ZrZn2 نیز گزارش شد؛ اما گزارش‌های بعدی درباره این یافته‌ها تردید ایجاد کرده‌اند.

این مواد معمولاً در نزدیکی یک نقطه بحرانی کوانتومی مغناطیسی رفتار ابررسانایی نشان می‌دهند؛ وضعیتی که در آن نوسان‌های کوانتومی می‌توانند به شکل‌گیری حالت ابررسانا کمک کنند.

ماهیت حالت ابررسانا

ماهیت حالت ابررسانایی در این مواد هنوز محل بحث است. بررسی‌های اولیه بر هم‌زیستی ابررسانایی متعارف s-wave با فرومغناطیس ناشی از الکترون‌های سیار تمرکز داشت؛ اما سناریوی جفت‌شدگی سه‌تایی اسپینی به‌تدریج مقبولیت بیشتری یافت. در سال ۲۰۰۵، مدلی میانگین‌میدانی برای توصیف هم‌زیستی این جفت‌شدگی با فرومغناطیس ارائه شد.

این مدل‌ها هم‌زیستی یکنواخت فرومغناطیس و ابررسانایی را در نظر می‌گیرند؛ یعنی همان الکترون‌ها هم‌زمان در ایجاد هر دو نظم فرومغناطیسی و ابررسانایی نقش دارند.

سناریوی دیگری نیز وجود دارد: در برخی مواد، نظم مغناطیسی و نظم ابررسانایی به شکل مارپیچی یا حلزونی آرایش می‌یابند. نمونه‌هایی از این نوع عبارت‌اند از ErRh4B4 و HoMo6S8. در این حالت، پارامترهای نظم مغناطیسی و ابررسانایی در الگویی مدوله‌شده در فضا در هم تنیده می‌شوند و همین الگو امکان هم‌زیستی آن‌ها را فراهم می‌کند، هرچند این هم‌زیستی دیگر یکنواخت نیست. حتی جفت‌شدگی تک‌تایی اسپینی نیز می‌تواند از این راه با فرومغناطیس هم‌زیستی داشته باشد.

نکته کلیدی اینجاست که ابررسانایی و فرومغناطیس لزوماً یکدیگر را حذف نمی‌کنند؛ در برخی سامانه‌های کوانتومی، این دو نظم می‌توانند به شکل‌های متفاوتی کنار هم پایدار بمانند.

نظریه

در ابررساناهای متعارف، دو الکترونی که جفت کوپر را می‌سازند اسپین‌هایی خلاف جهت دارند و به آن‌ها جفت‌های تک‌تایی اسپینی گفته می‌شود. با این حال، اصل پائولی انواع دیگری از جفت‌شدگی را نیز مجاز می‌داند.

در حضور میدان مغناطیسی، اسپین‌ها تمایل دارند هم‌راستا با میدان قرار بگیرند. همین ویژگی باعث می‌شود میدان مغناطیسی برای پایداری جفت‌های کوپر تک‌تایی اسپینی زیان‌بار باشد.

برای مدل‌سازی هم‌زیستی فرومغناطیس ناشی از الکترون‌های سیار با حالت سه‌تایی اسپینی غیریکانی، می‌توان از یک هامیلتونی میانگین‌میدانی استفاده کرد. این هامیلتونی پس از قطری‌سازی، ابزار مناسبی برای توصیف طیف کوانتومی و شرایط پایداری چنین سامانه‌ای فراهم می‌کند.

مطالعه بیشتر

• مدل حالت بحرانی بین
• ابررساناهای دوبعدی فرومغناطیس
• ابررسانایی بازگشتی
• ابررسانایی
• فرومغناطیس

برای مطالعه عمیق‌تر، فهرست مقاله‌های مرجع درباره ابررساناهای فرومغناطیس در arXiv.org نیز می‌تواند مفید باشد.