Письма в ЖЭТФ, том 109, вып. 8, с. 530 - 534

Прямое наблюдение вихревых и мейснеровских доменов

в монокристалле ферромагнитного сверхпроводника

EuFe₂(As_0.79P_0.21)₂

Л.Я.Винников⁺¹⁾, И.С.Вещунов^∗×, М.С.Сидельников⁺, В.С.Столяров^+×, С.В.Егоров⁺,

О.В.Скрябина^+×, В.Джао^◦2), Г.Цао^◦2), Т.Тамегай^∗2)

⁺Институт физики твердого тела РАН, 142432 Черноголовка, Россия

^∗Department of Applied Physics, The University of Tokyo, 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, 113-8656 Tokyo, Japan

^×Московский физико-технический институт, 141701 Долгопрудный, Россия

^◦Department of Physics, Zhejiang University, 310027 Hangzhou, China

Поступила в редакцию 7 февраля 2019 г.

После переработки 7 февраля 2019 г.

Принята к публикации 21 февраля 2019 г.

В монокристалле ферромагнитного сверхпроводника EuFe2(As0.79P0.21)2 с температурой сверхпро-

водящего перехода (TSC = 22 K) методом декорирования визуализирована вихревая структура в доме-

нах спонтанного магнитного потока (вихревые домены) вблизи температуры ферромагнитного перехода

(TC = 18 K). В узком интервале температур (1 К) вблизи TC также наблюдались мейснеровские домены,

ранее наблюдавшиеся методом магнитно-силовой микроскопии (МСМ). При понижении температуры

наблюдалась доменная структура с чередующимся направением магнитного потока. Эксперименталь-

ные наблюдения находятся в разумном согласии с теоретической оценкой периодов доменных структур

и температурным диапазоном их наблюдения.

DOI: 10.1134/S0370274X19080071

Вопрос о возможности сосуществования сверх-

положной полярности, что объясняет наблюдаемый

проводящего и магнитного упорядочения в одном и

знакопеременный контраст. Однако визуализировать

том же материале имеет давнюю историю [1]. До-

собственно вихревую структуру доменов в исследо-

стигнутый прогресс в теоретическом [2] и экспери-

ванном интервале температур ниже T_C не удалось.

ментальном [3] аспекте для искусственных слоистых

Более детальное исследование структуры магнитно-

структур (ферромагнетик-сверхпроводник) стиму-

го потока методом МСМ [6] обнаружило в узком диа-

лировал поиск таких материалов. Очень перспек-

пазоне температур (< 1 K) ниже T_C домены наномет-

тивной в этом отношении оказалась группа новых

рового масштаба, интерпретируемые как мейснеров-

высокотемпературных железосодержащих сверхпро-

ские домены. Достоинством метода МСМ, использу-

водников [4]. В недавней работе авторов [5] методами

емого в работе [6], является высокая (< 0.01 K) точ-

магнитно-силовой микроскопии (МСМ) и декориро-

ность регулировки и стабилизации температуры экс-

вания на монокристаллах EuFe₂(As_0.79P_0.21)₂ были

перимента. При этом исследование проводилось на

обнаружены доменные структуры, однозначно сви-

ограниченной площади порядка нескольких десятков

детельствующие о сосуществовании сверхпроводимо-

квадратных микрон. В то время как метод декориро-

сти и ферромагнетизма в массивных монокристалли-

вания позволяет исследовать структуру магнитного

ческих образцах. В работе [5] домены размерами по-

потока практически на всей поверхности монокри-

рядка нескольких микрон, наблюдаемые ниже темпе-

сталла. Разрешение данного метода позволяет визуа-

ратуры ферромагнитного перехода T_C = 18 K (тем-

лизировать объекты размером ∼ 100 нм [7, 8]. Однако

пература сверхпроводящего перехода T_SC = 22 K),

при декорировании необходимо испарение магнитно-

ассоциируются с их вихревой природой. Предполага-

го материала, что приводит к быстрому нагреву об-

ется, что соседние домены содержат вихри противо-

разца (до 2.5 К/с), в связи с чем имеются значитель-

ные проблемы с измерением температуры образца в

момент оседания магнитных частиц на его поверх-

¹⁾e-mail: vinnik@issp.ac.ru

²⁾W. Jiao, G. Cao, T. Tamegai.

ность. Используя устройство с системой регулиров-

530

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 7 - 8

2019

Прямое наблюдение вихревых и мейснеровских доменов . . .

531

ки и стабилизации температуры, можно уменьшить

неопределенность в измерении температуры образца

во время эксперимента до 1 К. Конструкция устрой-

ства и детали эксперимента описаны в работе [9].

В настоящей работе структура магнитного по-

тока в монокристалле EuFe₂(As_0.79P_0.21)₂, деталь-

ные характеристики которого подробно представле-

ны в работе [6], исследовались методом декорирова-

ния в интервале температур от 4.2 до 18 K. Поверх-

ность базисной плоскости монокристалла размером

∼ 1.5 × 2 мм очищалась путем отщепления поверх-

ностных слоев скотчем, затем декорировалась и на-

блюдалась в сканирующем электронном микроскопе

(СЭМ) (рис. 1).

Рис. 2.

Доменная

структура

монокристалла

EuFe2(As0.79P0.21)2 при температуре декорирова-

ния 16 K в магнитном поле 50 Э

Рис. 1. Фотография поверхности (001) базисной плоско-

сти монокристалла EuFe2(As0.79P0.21)2 в сканирующем

электронном микроскопе

Декорирование проводилось в малом магнитном

поле (порядка нескольких десятков эрстед), парал-

лельном оси c [001] после изменения температу-

ры стабилизации на несколько градусов, начиная

Рис. 3. Фрагмент доменной структуры участка моно-

с температуры 4.2 K. На рисунке

представлен

кристалла EuFe2(As0.79P0.21)2 при температуре деко-

фрагмент типичной лабиринтной доменной структу-

рирования 18 K в магнитном поле 42 Э

ры при температуре декорирования 16 K. Подобные

структуры наблюдались и при всех более низких тем-

пературах декорирования и аналогичны ранее на-

структуру), в то время как ступеньки большей высо-

блюдавшимся в работе [5]. Наблюдение в СЭМ на

ты в местах изменения толщины кристалла приводят

больших участках поверхности обнаруживает разно-

к заметным изменениям доменной структуры. Такие

образие доменных структур (рис.3). Видно, что сту-

картины наблюдаются на большей исследованной ча-

пеньки малой высоты в левой части рисунка не ока-

сти поверхности монокристалла EuFe₂(As_0.79P_0.21)₂

зывают влияния на магнитный контраст (доменную

при температуре декорирования 18 K.

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 7 - 8

2019

7^∗

532

Л.Я.Винников, И.С.Вещунов, М.С.Сидельников и др.

Рис. 4. (а) - Вихревые и мейснеровские домены в EuFe2(As0.79P0.21)2. (b) - Увеличенный фрагмент вихревой доменной

структуры. (c) - Тот же фрагмент после фильтрации изображения

Однако на небольшом участке монокристалла

нию вектора спонтанной намагниченности в каждом

удалось наблюдать более дисперсную доменную

домене. На рисунке 4b представлен фрагмент домен-

структуру. На рисунке 4a представлен фрагмент

ной структуры, где после фильтрации изображения

структуры магнитного потока в монокристалле

отчетливо разрешается вихревая структура. В вих-

EuFe₂(As_0.79P_0.21)₂ на поверхности (001) в магнит-

ревой структуре отсутствует дальний порядок, как

ном поле 42 Э при температуре декорирования 18 K

и в большинстве исследованных железосодержащих

вблизи T_C. Справа на рис.4a видна лабиринтная

сверхпроводниках [10, 11], однако на малых участ-

структура с характерным периодом ∼ 200 нм, ранее

ках доменов разрешаются фрагменты треугольной

наблюдаемая методом МСМ [6] и индентифицируе-

решетки. Фурье-анализ картин декорирования по

мая как мейснеровские домены. Слева видна более

периоду межвихревого расстояния позволяет оце-

контрастная структура, где наблюдаются два ха-

нить индукцию спонтанного потока как ∼ 200 Гс при

рактерных периода. Структура с большим периодом

температуре 18 К. Изложенная выше интерпретация

интерпретируется как вихревые домены, которые со-

контраста на микрофотографиях относится только

стоят из вихрей Абрикосова с направлением вектора

к вихревым доменам на рис.2 и 3, в то время

магнитного потока, соответствующего направле-

как контраст, создаваемый магнитными частицами

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 7 - 8

2019

Прямое наблюдение вихревых и мейснеровских доменов . . .

533

в области мейснеровских доменов (рис.4), имеет

(H_C2(0) ∼ 30 Тл [4]), а обменный (парамагнитный)

другую природу [12], а именно, магнитные частицы

механизм разрушения сверхпроводимости выключен

локализуются на границах мейснеровских доменов.

[14].

Магнитные частицы скапливаются в области макси-

Таким образом, методами декорирования в мо-

мального значения магнитного поля, создаваемого

нокристаллах EuFe₂(As_0.79P_0.21)₂ наблюдалась в уз-

экранирующими токами, которые максимальны

ком интервале температур вблизи T_C = 18 K мейс-

и направлены в противоположные стороны вдоль

неровская доменная структура с периодом ∼ 200

границы мейснеровского домена

[6]. В отличие

нм в согласии с МСМ-измерениями и теоретиче-

от наблюдения мейснеровских доменов методом

ской оценкой [6]. В ферромагнитном сверхпроводни-

МСМ [6], метод декорироваия позволяет получить

ке EuFe₂(As_1-xP_x)₂ впервые наблюдалась структу-

верхнюю оценку толщины границы мейснеровкого

ра спонтанного магнитного потока в объемных мо-

домена ∼ 70 нм по измеряемой ширине изображения

нокристаллах c разрешением вихревой структуры

границы на поверхности образца.

вблизи T_C с индукцией несколько сотен Гс. Необ-

Результаты наблюдения можно резюмировать

ходимы дальнейшие исследования для проверки вы-

сказанных предположений на других соединениях с

следующим образом: при малых увеличениях

сосуществованием сверхпроводимости и магнетизма,

(∼ ×1000) на большей части монокристалла светлые

например, [15, 16].

и темные области представляют собой вихревые

Работа выполнена при частичной поддержке про-

домены, где отдельные вихри не разрешаются при

температуре участка образца ниже температуры

граммы Президиума РАН “Физика низких темпера-

тур”.

ферромагнитного перехода T_C = 18 K. Тем не менее

на отдельном (перегретом в процессе декориро-

Авторы выражают благодарность А. И. Буздину,

В.В.Рязанову и Л.С.Успенской за полезные обсуж-

вания) участке удается разрешить как вихревую

структуру доменов, так и наблюдать мейснеров-

дения, а также Е. Ю. Постновой и Л. Г. Исаевой за

помощь в работе.

ские домены, которые существуют только в узком

(< 1 K) интервале температур ниже T_C

= 18 K

[6]. Возможные причины такого поведения могут

1. V. L. Ginzburg, ЖЭТФ 31, 202 (1956) [Sov. Phys.

быть обусловлены температурной зависимостью

JETP 4, 153 (1957)].

индукции спонтанного магнитного потока

[13].

2. M. Faure and A. I. Buzdin, Phys. Rev. Lett. 94, 187202

Предполагается, что когда локальная температура

(2005).

только на несколько десятых ниже T_c, спонтанная

3. В. В. Рязанов, В. А. Обознов, В. В. Больгинов,

индукция достаточно мала, чтобы экранироваться

А. С. Прокофьев, А.К. Феофанов, УФН 174, 795

мейснеровскими токами, и в то же время достаточ-

(2004).

на (по нашей оценке, несколько сотен Гс), чтобы

4. Z. Ren, Q. Tao, S. Jiang, C. M. Feng, C. Wang, J. H. Dai,

разрешать вихри в вихревой доменной структуре.

G. H. Cao, and Z. A. Xu, Phys. Rev. Lett. 102, 137002

Следует подчеркнуть, что наблюдаемая вихревая

(2009).

структура в доменах обусловлена спонтанным маг-

5. I. S. Veshchunov, L. Ya. Vinnikov, V. S. Stolyarov,

нитным потоком, а не внешним полем, которое в

N. Zhou, Z. X. Shi, X. F. Xu, S. Yu. Grebenchuk,

несколько раз меньше индукции спонтанного потока

D. S. Baranov, I. A. Golovchanskiy, S. Pyon, Y. Sun,

W. Jiao, G. Cao, T. Tamegai, and A. A. Golubov,

при температуре декорирования. Заметим также,

Письма в ЖЭТФ 105, 87 (2017) [JETP Lett. 105,

что могут разрешаться вихри только одной поляр-

98 (2017)].

ности (в светлых доменах), в то время как частицы

6. V. S. Stolyarov, I. S. Veshchunov, S. Yu. Grebenchuk

отталкиваются от антивихрей (в темных доменах).

et al. (Collaboration), Sci. Adv. 4, eaat1061 (2018).

Такое толкование не противоречит теоретическим

7. L. Ya. Vinnikov, T. L. Barkov, P. C. Canfield,

оценкам индукции вблизи T_C и температурного

S. L. Bud’ko, J. E. Ostenson, F. D. Laabs, and

интервала существования мейснеровских доменов

V. G. Kogan, Phys. Rev. B 64, 220508(R) (2001).

0.6 K (см. supplementary в работе [6]). Относительно

8. I. S. Veshchunov, V. A. Oboznov, A. N. Rossolenko,

природы сосуществования сверхпроводящего и фер-

A. S. Prokofiev, L. Ya. Vinnikov, A.Yu. Rusanov, and

ромагнитного упорядочения в EuFe₂(As_0.79P_0.21)₂

D. V. Matveev, Письма в ЖЭТФ 88, 791 (2008) [JETP

возможно объяснение с помощью механизма, пред-

Lett. 88, 758 (2008)].

ложенного В. Л. Гинзбургом [1], так как индукция

9. Л. Я. Винников, И. С. Вещунов, М. С. Сидельников,

спонтанного магнитного потока намного меньше

В. С. Столяров, Приборы и техника эксперимента 4

верхнего критического поля для этого вещества

(2019) (в печати).

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 7 - 8

2019