Создан рекордно длинный провод для спинового тока

Ученые из Нидерландов создали рекордное по размерам устройство на основе ферромагнетика и сверхпроводника, в котором удалось получить спиновый ток необычайно высокой плотности. Подобные устройства могут найти применение в спинтронике: как основной элемент магниторезистивной оперативной памяти для компьютеров, в производстве магнитных датчиков или даже твердотельных аккумуляторов, не основанных на химических реакциях. Работа опубликована в журнале Physical Review X, кратко о ней можно прочесть в материале Лейденского университета.

Спинтроника — раздел электроники, в основе которого лежат процессы управления отдельными спинами частиц и явлениями спинового токопереноса в твердых телах. Одним из интересных применений спинтронных устройств могут стать твердотельные аккумуляторы без химических реакций. В таком аккумуляторе электрический ток «намагничивает» постоянный магнит, и наоборот, его размагничивание приводит к возникновению тока. Этот же принцип лежит в основе работы электродвигателя, и долгое время считалось, что создать его без движущихся механических частей невозможно. Однако в 2009 году такое устройство было создано с помощью явления спинового токопереноса — протеканию «ферромагнитного» (или спин-поляризованного) тока, в котором спины всех электронов сонаправлены.

Объяснить, что такое спин (или собственный момент импульса) частицы довольно сложно даже профессиональному физику, но можно судить о его величине по косвенным признакам. Так, ненулевой спин частицы порождает определенный магнитный момент. Представить его можно как вектор, который имеет величину и направление. Наличие магнитных моментов отдельных атомов влияет на физические свойства того или иного вещества. Например, взаимодействие между спинами неспаренных электронов ответственно за магнитные свойства материалов, в частности, за ферромагнетизм. «Спаривание» некоторых электронов с разными спинами приводит к сверхпроводимости — явлению возникновения нулевого сопротивления в некоторых веществах при низких температурах.

Именно эти два явления — сверхпроводимость и ферромагнетизм — использовали авторы новой работы для создания своего устройства. Это связано с тем, что для протекания спинового тока необходимо соблюдение двух условий. Во-первых, спины электронов проводимости должны быть сонаправлены (поляризованы), как в ферромагнетике. Во-вторых, материал должен проводить ток. Причем чем ниже будет его сопротивление, тем лучше, поскольку спиновый ток имеет свойство быстро рассеиваться. Минимально возможным сопротивлением — нулевым — как раз обладают сверхпроводники.

Но существует одна проблема. В сверхпроводниках электроны обычно передвигаются парами (куперовские пары), при этом спины у них противоположно направлены, а не сонаправлены, как в ферромагнетиках. Однако оказалось, что это не всегда так. В некоторых условиях вместо синглетных пар (с противоположными спинами), могут образовываться триплетные (сонаправленные). Такое состояние электронной пары менее устойчиво, поскольку имеет более высокую энергию, но все же может существовать и переносить сверхпроводящий ток.

Реализуется триплетная сверхпроводимость, если привести сверхпроводник в контакт с ферромагнетиком. За счет так называемого эффекта близости часть куперовских пар попадает в ферромагнетик, и если он при этом является проводником или хотя бы полуметаллом (и выполняется еще несколько условий), то вблизи области контакта двух материалов начинает течь сверхпроводящий ток, но уже не синглетных, а триплетных куперовских пар.

Сама идея не нова, и такие спинтронные устройства, основанные на эффекте близости ферромагнетиков и сверхпроводников, уже были созданы. Однако расстояние, на котором триплетный ток может в них течь, остается очень небольшим (порядка 300-400 нанометров). Из-за этого создать прибор с достаточно высокой эффективностью до сих пор не удавалось.

Авторы новой работы смогли сконструировать устройство, в котором триплетный ток распространялся на рекордное по современным меркам расстояние — 600 нанометров. Ученые взяли за основу предыдущие работы, и создали «сэндвич» из «нитей» ферромагнетика оксида хрома CrO₂ и расположенных перпендикулярно ему «нитей» меди или серебра, слоя никеля и, наконец, сверхпроводника MoGe. Слой меди или серебра обеспечивает «прозрачность» межслоевого контакта для электронов, а слой никеля вносит неоднородности в магнитную структуру оксида хрома, которые необходимы для триплетной сверхпроводимости.

Достичь рекордных значений ученым удалось за счет использования нового метода синтеза «нитей» оксида хрома, позволяющего получать более однородную структуру материала, а также заменой стандартно используемой меди в «прозрачном» слое на серебро. Именно в устройстве, в котором использовалось серебро, ученые получили рекордные значения расстояний распространения тока — 600 нанометров, и довольно высокую плотность тока — порядка миллиарда ампер на метр квадратный.

Интересно отметить, что авторы данного исследования работают в лаборатории имени Хейке Камерлинг-Оннеса, в Лейденском университете в Нидерландах. Именно этот голландский физик в 1911 году впервые открыл явление сверхпроводимости, наблюдая за свойствами ртути при низких температурах. Всего через два года после открытия Хейке Камерлинг-Оннес был удостоен Нобелевской премии по физике.