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 дажетвердотельных 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, идолгое 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.

Изображение устройства, полученное на сканирующем электронном микроскопе. Amrita Singh et al. / Physical Review X, 2016

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.

S. Иллюстрация связанной куперовской пары электронов с противоположными спинами и импульсами, как в сверхпроводнике. F. Иллюстрация сонаправленности спинов отдельных атомов в ферромагнетике. Wikimedia Commons

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 ипереносить 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, атриплетных куперовских пар.

Иллюстрация синглетных и триплетных состояний на границе сверхпроводника и а) слабого, b) сильного ферромагнетика. Mattias Eschrig et al. / Nature Physics, 2009

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 создатьприбор 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.

Схематическое изображение и фотография сканирующего электронного микроскопа, показывающая устройство нового прибора по созданию спинового тока. Amrita Singh et al. / Physical Review X, 2016

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 1911году 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.

Автор: Екатерина Митрофанова