Ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC (США) и Стэнфордского университета использовали настроенные рентгеновские пучки Стэнфордского источника синхротронного излучения SSRL, чтобы определить загадочную причину магнитных свойств двуслойной структуры, материал каждого слоя которой сам по себе не имел магнитных свойств.
Магнитный сэндвич: Искусственный материал с удивительными свойствами

Оба материала относились к классу перовскитов — оксидных минералов с уникальными электронными свойствами, представляющими большой интерес для ученых. В частности, некоторые перовскиты являются высокотемпературными сверхпроводниками.

Перовскиты LAO (оксид лантана-алюминия) и STO (оксид стронция-титана) являются электрическими изоляторами. Двуслойная «гетероструктура» из этих материалов проводит электрический ток по поверхности их контакта. Более того, при температуре, близкой к абсолютному нулю, эта структура становится сверхпроводником. И наконец, самое удивительное: она имеет магнитные свойства в районе контакта LAO и STO, несмотря на то что ни один из этих материалов не проявляет таких свойств по отдельности ни в чистом виде, ни с различными примесями, с помощью которых исследователи пытались изменить их свойства.

Чтобы определить, какие именно атомы «отвечают» за появление магнитных свойств, ученые исследовали с помощью рентгеновских лучей образцы гетероструктур, в которых сверхтонкий слой LAO был нанесен на подложку STO. Использовалась важная возможность источника SSLR точно подстраивать длину волны излучения, что позволяло наблюдать по отдельности только атомы кислорода или только атомы титана в слое STO.

В результате выяснилось, что магнетизм образцов обусловлен атомами титана, но причина, по которой титан меняет свои фундаментальные свойства, так и не была установлена. Магнетизм усиливался при переходе атомов титана в основное энергетическое состояние, в котором они имеют минимальную энергию. Фактически магнитные свойства титана наблюдались при приближении температуры его атомов к 10 градусам выше абсолютного нуля.

Примечательно, что переход атомов титана в основное состояние необходим и для достижения гетероструктурой состояния свехпроводимости, а поверхность контакта LAO/STO может проявлять одновременно магнитные и сверхпроводящие свойства. Это тем более удивительно, так как в обычных проводниках всегда проявляется эффект Мейснера — полное вытеснение магнитного поля из объема проводника в сверхпроводящем состоянии.

Ученые считают, что исследование подобных феноменов является необходимым для получения знаний, которые позволят в будущем разрабатывать искусственные гетероструктуры с заранее предсказанными свойствами.

По сообщению SLAC National Accelerator Laboratory