Фізики створили надпровідний вентиль з рекордними показниками

Фізики з Лейденського університету в Нідерландах створили надпровідний вентиль з рекордною різницею критичних температур – трохи менше одного кельвіна. Подібна технологія дозволяє перемикати опір в надпровідних схемах. На цій основі можна, наприклад, створювати запам’ятовуючі пристрої або чіпи для виконання логічних операцій. Конструкції, засновані на надпровідниках будуть мати набагато більшою енергоефективністю, ніж традиційні напівпровідникові транзистори, так як у них практично немає втрат на опір. Опис нової роботи опубліковано в Physical Review X.

Концепцію спінової «вентиля» запропонував в минулому столітті нобелівський лауреат П’єр де Дружин. Вона була заснована на ефекті близькості), що виникає при контакті надпровідного матеріалу і звичайного провідника. Оскільки низькотемпературна надпровідність обумовлена утворенням особливих квантових об’єктів — куперовських пар електронів, — вона не може стрибком змінитися на «звичайну» провідність на кордоні двох матеріалів. Тому надпровідні електронні пари «протікають» всередину звичайного провідника.

Якщо «протікання» надпровідних електронів можна контролювати, наприклад, за допомогою зовнішнього поля, — такий пристрій як раз і буде вважатися «вентилем». Для цього в якості звичайного провідника передбачається використовувати феромагнетики. Хоча вони є спін-поляризованими матеріалами (у них спини атомів шикуються в одному напрямку), а куперовские пари мають нульовим спіном, вони не повинні добре «протікати» у феромагнітний матеріал. Тим не менш, існує особливий механізм, «дозволяє» цей процес.

У ферромагнетиках електрони зі стану куперовской пари (синглет) можуть спочатку перейти в триплетное стан, при якому сумарний спін все ще нульовий, а потім в триплет з паралельними спинами. Така пара електронів вже прекрасно переноситься за ферромагнетику.

Для того, щоб відбувся такий перехід, необхідно створити неоднорідність магнітного поля. Для цього зазвичай використовується «стопка» з двох різних феромагнетиків, розділених тонким шаром немагнітного речовини, наприклад, міді. Це потрібно для того, щоб поля в двох сусідніх ферромагнетиках виявилися розділені і незалежні один від одного.

Тоді, змінюючи взаємне напрямок полів у ферромагнетиках, можна домогтися максимуму освіти триплетів з паралельними спинами, так і мінімуму. Перший випадок реалізується при ортогональному напрямку полів (максимальна неоднорідність), другий — при сонаправленном. Перемикання між двома режимами і є контроль стану «вентиля».

Залежність опору і критичної температури від напрямку між магнітними полями у ферромагнетиках Зображення: A. Singh et al./ Physical Review X (2015)

Подібні пристрої вже створювалися раніше, однак ефект був дуже слабким. Для його характеристики зазвичай використовується різниця критичних температур в надпровіднику при включеному і вимкненому стані «вентиля», так от раніше не вдавалося отримати цю різницю вище 120 милликельвинов. Такого ефекту недостатньо для впевненого перемикання «вентиля», тому пристрої не могли претендувати на практичне застосування.

У новій роботі фізики обійшли цю проблему, «хитро» підібравши феромагнітні матеріали для свого пристрою. Вчені використовували пару з оксиду хрому (IV) і нікелю, а в якості надпровідного матеріалу брали германид молібдену. Вибір оксиду хрому (IV) обумовлений тим, що теплові флуктуації в ньому набагато менше звіщають на випадковому переворот спина, що дозволяє триплетным парам довше залишатися цілими.

Отриманий «вентиль» мав максимальною різницею критичних температур близько одного кельвіна. За словами авторів, такі величини вперше згадуються в літературі. Більш того, це значення досить велике для створення практичних пристроїв на основі цього прототипу.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *