Физики создали сверхпроводящий «вентиль» с рекордными показателями

Физики из Лейденского университета в Нидерландах создали сверхпроводящий «вентиль» с рекордной разницей критических температур — чуть меньше одного кельвина. Подобная технология позволяет переключать сопротивление в сверхпроводящих схемах. На этой основе можно, например, создавать запоминающие устройства или чипы для выполнения логических операций. Конструкции, основанные на сверхпроводниках будут обладать гораздо большей энергоэффективностью, чем традиционные полупроводниковые транзисторы, так как в них практически нет потерь на сопротивление. Описание новой работы опубликовано в Physical Review X.

Концепцию спинового «вентиля» предложил в прошлом веке нобелевский лауреат Пьер де Жен. Она была основана на эффекте близости, возникающем при контакте сверхпроводящего материала и обычного проводника. Поскольку низкотемпературная сверхпроводимость обусловлена образованием особых квантовых объектов — куперовских пар электронов, — она не может скачком измениться на «обычную» проводимость на границе двух материалов. Поэтому сверхпроводящие электронные пары «протекают» внутрь обычного проводника.

Если «протекание» сверхпроводящих электронов можно контролировать, например, при помощи внешнего поля, — такое устройство как раз и будет считаться «вентилем». Для этого в качестве «обычного» проводника предполагается использовать ферромагнетики. Хотя они являются спин-поляризованными материалами (в них спины атомов выстраиваются в одном направлении), а куперовские пары обладают нулевым спином, они не должны хорошо «протекать» в ферромагнитный материал. Тем не менее, существует особый механизм, «разрешающий» этот процесс.

В ферромагнетиках электроны из состояния куперовской пары (синглет) могут сначала перейти в такое триплетное состояние, при котором суммарный спин все еще нулевой, а затем в триплет с параллельными спинами. Такая пара электронов уже прекрасно переносится по ферромагнетику.

Для того, чтобы произошел подобный переход, необходимо создать неоднородность магнитного поля. Для этого обычно используется «стопка» из двух разных ферромагнетиков, разделенных тонким слоем немагнитного вещества, например, меди. Это нужно для того, чтобы поля в двух соседних ферромагнетиках оказались разделены и независимы друг от друга.

Тогда, изменяя взаимное направление полей в ферромагнетиках, можно добиться как максимума образования триплетов с параллельными спинами, так и минимума. Первый случай реализуется при ортогональном направлении полей (максимальная неоднородность), второй — при сонаправленном. Переключение между двумя режимами и есть контроль состояния «вентиля».

Подобные устройства уже создавались ранее, однако эффект оказывался очень слабым. Для его характеристики обычно используется разность критических температур в сверхпроводнике при включенном и выключенном состоянии «вентиля», так вот ранее не удавалось получить эту разницу выше 120 милликельвинов. Такого эффекта недостаточно для уверенного переключения «вентиля», поэтому устройства не могли претендовать на практическое применение.

В новой работе физики обошли эту проблему, «хитро» подобрав ферромагнитные материалы для своего устройства. Ученые использовали пару из оксида хрома (IV) и никеля, а в качестве сверхпроводящего материала брали германид молибдена. Выбор оксида хрома (IV) обусловлен тем, что тепловые флуктуации в нем гораздо меньше сказывают на случайном перевороте спина, что позволяет триплетным парам дольше оставаться целыми.

Полученный «вентиль» обладал максимальной разницей критических температур порядка одного кельвина. По словам авторов, такие величины впервые упоминаются в литературе. Более того, это значение достаточно велико для создания практических устройств на основе данного прототипа.