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