Физики впервые увидели триплетные куперовские пары в сверхпроводнике

Физики из Университетов Кембриджа, Констанца (Германия) и Норвежского Научно-Технологического Института впервые напрямую показали существование триплетных состояний куперовских пар на границах сверхпроводник-ферромагнетик. Такие состояния могут открыть возможности для создания спинтронных устройств, работающих без потерь сигнала. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications, кратко о нем сообщает пресс-релиз Университета Констанца (немецкий).

Главная теория, описывающая явление сверхпроводимости, — теория Бардина-Купера-Шриффера — объясняет течение тока без потерь образованием так называемых куперовских пар. Это особые связанные состояния, в которых два электрона обладают противоположными импульсами и спинами. Они называются спин-синглетными.

Главной особенностью ферромагнетиков же является сонаправленность спинов внешних электронов. То есть на границе этих двух материалов возникает несоответствие между «желаемыми» состояниями. Для этих областей теоретически предсказано существование состояний с большей энергией. Такие состояния носят название спин-триплетных, спины в них могут быть противоположно направленными (тогда суммарный спин пары остается нулевым), либо сонаправленными (спин равен +/-1).

Авторы работы поставили эксперимент, целью которого как раз и было наблюдение триплетных состояний. Для этого на сапфире вырастили многослойную структуру, состоявшую из тонкого слоя ниобия (6,5 нанометров толщиной), поверх которого был нанесен слой гольмия (9,5 нанометров) — ферромагнетика с неравномерной намагниченностью, поверх которого вновь был нанесен слой сверхпроводящего ниобия(20 нанометров). Исследовался контакт между двумя верхними слоями, нижний слой ниобия выполнял вспомогательную роль. Физики исследовали этот «сендвич», охлажденный до 290 милликельвинов, с помощью методов сканирующей туннельной микроскопии.

С помощью очень тонкой иглы из сплава иридия и платины ученые измеряли ток между поверхностью структуры и иглой, в зависимости от приложенного напряжения и напряженности магнитного поля в образце. Этот ток возникает за счет туннелирования электронов и у обычных сверхпроводников существует определенная величина напряжения, при котором он начинает течь. Расстояние на графике, соответствующее отсутствию тока, называют сверхпроводящей щелью.

Оказалось, что при наличии в образце прослойки гольмия, внутри этой щели возникали новые пики проводимости. Их форма и положение совпали с теоретическими предсказаниями для триплетных состояний, что и стало доказательством их существования.

Ранее различные группы ученых уже предпринимали попытки наблюдения триплетных состояний в системах сверхпроводник-ферромагнетик. Однако измерения, которые проводили физики раньше были косвенными и лишь фиксировали уменьшение энергии связи между сверхпроводящими электронами.

Новый результат означает, что в сверхпроводниках могут существовать (и существуют) такие триплетные состояния. Поскольку суммарный спин в них отличен от нуля, подобные слоистые приборы могут выступать в качестве проводников спинов, что важно для различных областей спинтроники. Равно как и передача электрического тока, передача электронных спинов в таких устройствах может происходить без потерь.