Физики-теоретики из Финляндии и Германии предложили схему прибора, в котором образование триплетных куперовских пар происходит даже при отсутствии магнитного упорядочивания или внешнего магнитного поля. Для этого они использовали два трехмерных топологических изолятора, соединенные сверхпроводником. Предложенная схема будет полезна для создания спинтронных сверхпроводящих устройств. Статья опубликована в Physical Review Letters.
При низких температурах в сверхпроводниках образуются куперовские пары — связанные состояния электронов с противоположными импульсами. Из-за того, что суммарный спин пары обязательно должен быть целым, она является бозоном, а потому куперовские пары склонны собираться в самом низком энергетическом состоянии (это явление называют бозе-конденсацией). Собственно, из-за этого материал и становится сверхпроводником. Подробнее прочитать про образование куперовских пар и различные механизмы сверхпроводимости можно в нашем материале «Ниже критической температуры».
В обычной ситуации спины электронов в паре направлены противоположно, так что их суммарный спин получается равным нулю. Такие состояния называются синглетными. Однако в некоторых случаях могут возникать состояния, в которых спины электронов направлены в одну сторону — тогда суммарный спин пары будет равен единице (разумеется, это никак не мешает бозе-конденсации). Такие состояния называются триплетными, по аналогии с триплетными состояниями атомов. И хотя в обычной электронике подобные нюансы не учитывают, в спинтронике — науке, которая работает со спиновыми токами — они могут играть важную роль.
На данный момент физики относительно хорошо научились создавать триплетные куперовские пары, используя магнитное упорядочивание материалов или внешнее магнитное поле. Например, такие состояния напрямую наблюдались на границах сверхпроводник-ферромагнетик. Тем не менее, магнитные поля сравнительно сложно быстро переключить, а потому управлять спинами частиц удобнее с помощью электронных процессов.
В новой статье группа из трех ученых под руководством Бьёрна Трауцеттеля (Björn Trauzettel) теоретически предсказала способ, с помощью которого можно «накачивать» триплетные куперовские пары в сверхпроводник, не полагаясь на магнитные эффекты. Для этого они предложили использовать систему с сильным спин-орбитальным взаимодействием — выведенные из равновесия трехмерные топологические изоляторы (TI), соединенные сверхпроводником (SC). Топологические изоляторы — это такие материалы, которые проводят электрический ток только по поверхности, а внутри являются обычными изоляторами. Важно, что топологические изоляторы в предложенной учеными схеме обладают разными типами проводимости: в одном из них носителями заряда являются электроны (проводимость n-типа), а в другом — дырки (проводимость p-типа). Кроме того, к изоляторам были приложены дополнительные сдвиговые напряжения, а сверхпроводник был заземлен.
Вообще говоря, в подобном переходе TI-SC-TI возможно четыре типа процессов переноса носителей заряда: нормальное рассеяние (normal reflection), обычное андреевское отражение (local Andreev reflection), одновременное туннелирование нескольких электронов (electron cotunneling) и перекрестное андреевское рассеяние (crossed Andreev reflection). Андреевское отражение — это процесс, в ходе которого электрон, падающий на поверхность сверхпроводника, превращается в дырку и одновременно рождает в сверхпроводнике синглетную куперовскую пару. Образование триплетных куперовских пар происходит благодаря перекрестному андреевскому отражению. Подбирая параметры установки, физики добились того, что процессы сотуннелирования и обычного андреевского отражения оказались подавлены. Для этого они полагали, что химические потенциалы топологических изоляторов равны по модулю и противоположны по направлению, а сдвиговое напряжение на одном из изоляторов в точности равно химическому потенциалу, умноженному на величину элементарного заряда (в системе ħ = c = 1).
Наконец, физики вычислили, как происходит накапливание спина в сверхпроводнике в зависимости от параметров системы. Поскольку спин синглетных куперовских пар равен нулю, эта величина хорошо описывает, насколько триплетных состояний больше, чем синглетных. Оказалось, что в предложенной авторами системе средний спин куперовской пары может достигать величины 0,7 (в единицах ħ), то есть с ее помощью переход TI-SC-TI можно использовать как эффективный фильтр для триплетных состояний. Возможно, в ближайшем будущем предложенная авторами схема будет реализована экспериментально.
Хотя образование триплетных куперовских пар в сверхпроводниках уже давно предсказывалось, впервые физики напрямую увидели их с помощью сканирующего туннельного микроскопа всего два года назад. Подробнее об этом открытии можно прочитать в нашей новости. Стоит отметить, что в этой работе пары возникали на границах сверхпроводник-ферромагнетик, то есть их образование происходило благодаря магнитному упорядочиванию ферромагнетиков. В новой статье ученые предложили способ получать триплетные пары без привлечения магнитного упорядочивания.
Дмитрий Трунин
Устройство необходимо для разгона электронов в линейном ускорителе
Ученые из Института ядерной физики имени Будкера СО РАН создали ключевой элемент будущего источника синхротронного излучения СКИФ — клистрон, устройство, которое будет обеспечивать линейный ускоритель СКИФа током высокой мощности и сверхвысокой частоты, сообщили пресс-службы института и Минобрнауки РФ. Разработка стала вынужденным шагом: ученые планировали закупить клистроны в Японии, но из-за санкций фирма-подрядчик разорвала контракт. Проект «Сибирского кольцевого источника фотонов» (СКИФ) был утвержден в октябре 2019 года. Предполагается, что он будет генерировать синхротронное излучение с энергией фотонов от 1 до 100 килоэлектронвольт, которое будет использоваться для высокоточного рентгеноструктурного анализа, то изучения характера рассеяния излучения в толще образца. Такого рода «просвечивание» необходимо для многих задач в физике твердого тела, для разработки новых материалов, биомедицинских исследований. Подробнее об этом мы писали в материале «Больше синхротронов». Первый элемент СКИФа — линейный ускоритель (линак), который должен будет выдавать поток электронов с энергиями в 200 мегаэлектронвольт. Частицы разгоняются в нем благодаря переменным электрическим полям высокой частоты в СВЧ-резонаторах. В свою очередь, для питания СВЧ-резонаторов нужен электрический ток сверхвысокой частоты. Устройство, которое для этого предназначено, называется клистроном. В апреле 2023 года физики ИЯФа проверили в действии «первую ступень» линака, разогнав в нем электроны до энергии 30 мегаэлектронвольт. Однако, как пояснил N + 1 завлабораторией ИЯФ Алексей Левичев, в этом эксперименте использовался клистрон японской фирмы Canon, который институт успел получить до введения санкций. По его словам, для полноценной работы линака требуется четыре клистрона — три работающих и один резервный. Поскольку клистроны с нужными параметрами выпускают только в США, Франции и Японии, физикам пришлось создавать устройство самостоятельно. Клистрон представляет собой разновидность электронной лампы. В нем есть катод, где формируется поток электронов. Затем этот поток ускоряется и попадает во входной резонатор, где под действием электрического поля он становится дискретным — разбивается на сгустки, которые, в свою очередь, наводят ток сверхвысокой частоты в выходном резонаторе. Затем электроны «ловит» коллектор и цикл повторяется. Таким образом из непрерывного тока получают ток с частотой колебаний около 3 гигагерц. При испытаниях клистрона, созданного в ИЯФе была получена мощность в 50 мегаватт. По словам, директора ИЯФ Павла Логачева, создать собственный клистрон устройство они смогли благодаря благодаря тому, что Национальная ускорительная лаборатория SLAC подарила институту клистрон, и физики научились с ним работать. По его мнению, эта технология в дальнейшем будет востребована для других ускорительных установок в России — для синхротрона, источника комптоновского излучения в Сарове, источника нейтронов в Дубне. По словам Левичева, проект линейного ускорителя разрабатывался под параметры японского клистрона, поэтому собственная их установка в максимально возможной степени соответствует «исходнику». Однако соответствие все же не стопроцентное, поэтому, вероятнее всего, три сибирских клистрона будут основными, а японскому останется роль резервного. Испытания линака со всеми тремя клистронами и на проектной энергии в 200 мегаэлектронвольт сейчас планируются на лето 2024 года, добавил Левичев. Раньше мы рассказывали, как японским ученым удалось увидеть с помощью синхротрона двухщелевую самоинтерференцию одиночных электронов во времени.