Предоставлено: Токийский технологический институт.

Фазовые переходы описывают различные явления вокруг нас, от превращения воды в лед до магнитных переходов и сверхпроводящего перехода, при котором электрическое сопротивление исчезает. В случаях сверхпроводимости и магнетизма фазовый переход непрерывен, характеризуется «нарушением симметрии», что приводит к образованию упорядоченного состояния.

Упорядоченное состояние является совершенным (бездефектным), когда этот переход очень медленный, режим, называемый адиабатическим пределом. Однако для переходов, не удовлетворяющих этому пределу, появляются топологические дефекты, генерация которых описывается механизмом Киббла-Зурека (КЗ). Экспериментально механизм КЗ проявляется в виде степенной зависимости плотности дефектов от скорости охлаждения.

Интересно, что механизм KZ, широко изучаемый для фазовых переходов при тепловом равновесии, еще не был продемонстрирован экспериментально для неравновесных фазовых переходов. Однако недавнее исследование моделирования показало, что механизм KZ может применяться к динамическим упорядочивающим переходам между неупорядоченным и упорядоченным состояниями потока - явлению, которое можно экспериментально проверить в сверхпроводящих вихревых системах.

С этой целью исследовательская группа из Токийского технологического института (Tokyo Tech), Япония, под руководством профессора Сатоси Окума недавно показала, что состояние движения совокупности магнитных потоков (вихрей), пронизывающих сверхпроводник, находится в процессе неравновесного фазовый переход от неупорядоченного течения к упорядоченному решеточному течению, и дефекты решетки самопроизвольно появляются в соответствии с механизмом KZ. Их исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.

В своей работе команда подготовила полосообразную пленку аморфного MoxGe _1−x (x ≈ 0,78) толщиной 330 нм на кремниевой подложке, а затем охладила ее, чтобы обеспечить сверхпроводящий переход при 6,3 К. С помощью магнитного поля перпендикулярно поверхности генерировались вихри и проводились эксперименты при 4,1 К и напряженности поля 3,5 Тл.

Команда управляла вихрями, используя управляющий ток, который линейно возрастал при различных скоростях гашения (d _I /d _t ). При достижении конечной точки затухания вихревая конфигурация замораживалась путем резкого отключения тока.

«В нашем исследовании мы проверили прогнозы моделирования, экспериментально изучив конфигурационный порядок вихрей после динамического упорядочения в зависимости от скорости гашения», — объясняет профессор Окума.

Команда обнаружила, что конфигурация вихря становится менее упорядоченной с увеличением скорости гашения, что означает фазовый переход. «Мы исследовали дефекты решетки, возникающие во время этого перехода, и их изменение в зависимости от скорости закалки», — говорит профессор Окума.

«Мы обнаружили, что плотность дефектов пропорциональна степенной зависимости от скорости затухания, что соответствует сценарию KZ», — подчеркивает он. Команда дополнительно оценила показатель степени (≈ 0,4-0,5), который был близок к значению, предсказанному моделированием (0,39).

«Мы также наблюдали импульсно-адиабатическое пересечение на упорядоченной стороне перехода — еще одно ключевое предсказание механизма KZ», — добавляет профессор Окума.

В целом, это исследование расширяет применимость механизма Киббла-Зурека от равновесных фазовых переходов до неравновесных фазовых переходов, открывая двери для бесчисленных новых исследований. Учитывая этот знаменательный результат, ожидаются новые разработки в области исследования неравновесных фазовых переходов.