Спонтанный ферромагнетизм магнитных примесей в сверхпроводнике с сильной спин–орбитальной связью, управляемый супертоком

Почему важны крошечные магниты в сверхпроводнике

Современным суперкопьютерам нужна чрезвычайно быстрая и энергоэффективная память, работающая в холодной среде, необходимой для сверхпроводящей электроники. В этом исследовании изучается необычный материал, в котором поток тока без сопротивления — суперток — может тихо организовать множество маленьких магнитных моментов на поверхности в коллективное состояние. Работа указывает на новый способ хранения информации с почти нулевыми энергетическими потерями.

Сверхпроводники и скрытые магниты

В обычном сверхпроводнике электроны образуют пары, что обычно конфликтует с магнетизмом. Магнитные биты склонны разрушать такие пары, поэтому дальний порядок магнитов не поощряется. Исследуемый здесь материал, железо-содержащий компаунд Fe(Se, Te), ведёт себя иначе потому, что его электроны испытывают сильную связь между движением и спином — спин–орбитальную связь. Дополнительные атомы железа, зажатые между регулярными атомными слоями, ведут себя как крошечные магниты, рассеянные по поверхности. Теория предсказывала, что в такой обстановке эти примеси могут взаимодействовать друг с другом через необычные токи в сверхпроводнике и выстраиваться как ферромагнетик, но это не было непосредственно наблюдаемо.

Визуализация невидимых магнитных структур

Исследователи расколотили тонкие пластины Fe(Se, Te) с относительно высокой плотностью вставочных атомов железа и охладили их ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние. С помощью высокочувствительного сканирующего SQUID-микроскопа они картировали ответы материала как на небольшие магнитные поля, так и на приложенные токи. Вместо знакомого узора вихрей, который обычно отмечает проникновение магнитного поля в сверхпроводник, они увидели широкие магнитные домены, простирающиеся на десятки микрометров. Эти домены менялись от одного цикла охлаждения к другому, появлялись только при наличии сверхпроводимости и быстро слабели по мере приближения температуры к критической. Такое поведение показало, что домены не возникали из-за обычных примесей, а представляли собой магнитное состояние, зависимое от сверхтекучего конденсата спаренных электронов.

Ток, который записывает намагниченность

Чтобы проверить, может ли суперток управлять этим магнетизмом, команда изготовила устройства с золотыми электродами на похожих пластинах. Когда они пропускали небольшой смещающий ток через образец, наблюдаемый магнитный сигнал следовал за обычным магнитным полем, создаваемым самим током. Однако выше порогового тока паттерн внезапно менялся: сильные токи скапливались вдоль краёв, и знак измеренного магнитного потока менялся по сравнению с простым ожиданием. После выключения смещения сохранялся остаточный паттерн магнитного потока, знак которого можно было обратить, пропустив ток в противоположном направлении. Зависимость от тока демонстрировала петлю гистерезиса, похожую на переворот намагниченности обычного ферромагнетика, но здесь переключение происходило при плотности супертока примерно в тысячу раз меньшей, чем в типичных металлических устройствах.

Как суперток связывает спины

Ключ в магнитно-электрическом эффекте, допускаемом спин–орбитальной связью на поверхности. Протекающий суперток стремится поляризовать поверхностные примеси так, чтобы их спины выровнялись в плоскости. В свою очередь, однородная намагниченность в плоскости порождает так называемые аномальные супертоки, которые циркулируют особым образом: вдоль краёв они усиливают направление приложенного тока, а в центре противодействуют ему. Эти циркулирующие токи создают магнитные сигналы, регистрируемые SQUID-микроскопом. Поскольку верхняя и нижняя поверхности тонкой пластины вносят вклад сложением, эффект оказывается сильным, хотя сами спины атомарны по размеру. При нагреве сверхпроводника сверхтекучий конденсат ослабевает, и как дальнорядовый ферромагнитный порядок, так и связанные с ним аномальные токи исчезают, напрямую связывая магнитное состояние с сверхпроводящим конденсатом.

К пути к криогенной памяти с малыми потерями

Проще говоря, исследование показывает, что мягкий, без потерь ток может переключать слой крошечных поверхностных магнитов в контролируемом, невозвратном (non-volatile) режиме, пока материал остаётся сверхпроводящим. Эта записываемая током намагниченность, опосредованная супертоками, а не обычными электронами, может стать основой криогенных элементов памяти, потребляющих намного меньше энергии, чем существующие магнитные устройства. Для практических приложений потребуются более чистые, тонкие пленки и надёжные схемы электрического считывания, но работа подтверждает давнюю теоретическую идею и открывает путь к интеграции сверхпроводящей логики с магнитным хранением в будущих энергоэффективных компьютерах.

Цитирование: Xiang, B., He, Q., Lin, Y. et al. Supercurrent-controlled spontaneous ferromagnetism of magnetic impurities in a spin-orbit-coupled superconductor. Nat Commun 17, 4294 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70968-1

Ключевые слова: сверхпроводящая спинтроника, ферромагнетизм, спин–орбитальная связь, криогенная память, FeSeTe