Сверхпроводники «научили» управлять магнитным полем

Сверхпроводимость, которая почти несовместима с магнитным полем, может при определенных условиях способствовать его распространению — этот пока необъясненный эффект обнаружили физики из НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ вместе с коллегами из Британии. Они полагают, что устройства на базе этого эффекта могут приблизить эпоху компьютеров будущего — спинтронных вычислительных машин.

Результаты исследования опубликованы сегодня в престижном журнале Nature Physics.

Группа учёных, в которую входит Наталья Пугач из НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ, исследовала взаимодействие сверхпроводимости и намагниченности для того, чтобы научиться управлять спинами (магнитными моментами) электронов и создавать технологии электроники нового типа.

Если в обычной микроэлектронике информация кодируется с помощью электрических зарядов, то в спиновой электронике, или спинтронике, информация предоставляется с помощью спина электрона, который может быть направлен вдоль или против определенной оси.

«Устройства сверхпроводящей спинтроники будут требовать значительно меньше энергии, выделять меньше тепла, а значит, эта технология позволит создавать значительно более экономичные и стабильные вычислительные машины и суперкомпьютеры», — поясняет Наталья Пугач.

Главным препятствием для создания подобных вычислительных устройств пока является то, что спин электронов и прочих заряженных частиц крайне сложно контролировать.

Новое исследование показывает, что сверхпроводник, возможно, пригодится для транспортировки спинов, а ферромагнетики — для управления ими.

Состояние сверхпроводимости очень чутко реагирует на магнитные поля: сильные магнитные поля могут разрушать его, и наоборот – сверхпроводники полностью выталкивают из себя магнитное поле. Обычные сверхпроводники и магнитные материалы почти невозможно заставить «общаться» друг с другом из-за их противоположного упорядочения: в магнетиках поле стремится выстроить спины в одну сторону, а электроны в обычных сверхпроводниках имеют противоположные спины.

«Мои коллеги проводили эксперименты с устройствами, которые называются сверхпроводящий спиновый вентиль. Они представляют собой «сэндвичи» из нанослоёв ферромагнетика, сверхпроводника и других металлов. Изменяя направление намагниченности, можно управлять током в сверхпроводнике. Толщина слоев здесь важна, поскольку в «толстом» сверхпроводнике никаких интересных эффектов видно не будет», — поясняет исследователь.

Ученые во время экспериментов обстреливали экспериментальные образцы мюонами — частицами, похожими на электрон, но в 200 раз тяжелее и исследовали их рассеяние. Таким образом они смогли получать данные о том, как ведет себя намагниченность в разных слоях образца.

Спиновый вентиль состоял из двух слоев ферромагнетика (кобальта), слоя сверхпроводника (ниобий) толщиной около 150 атомов и слоя золота.

В ходе эксперимента ученые обнаружили неожиданный эффект: в тех случаях, когда направления намагниченности слоев ферромагнетика были непараллельны, взаимодействие их со сверхпроводником порождало наведенную намагниченность в слое из золота, «перепрыгивая» через сверхпроводник. Когда ученые «поворачивали» намагниченность в одну сторону, сила поля в золоте уменьшалась в 20 раз и эффект почти полностью пропадал.

«Этот эффект не был предсказан, мы очень удивились, когда это нашли, долго пытались объяснить полученные данные с помощью другого распределения намагниченности, которое было предсказано ранее, но данные не сходились. У нас есть некоторые предположения, но полноценного объяснения до сих пор нет. Однако этот эффект дает нам новый способ манипуляции со спинами», — говорит Пугач.

Открытие, возможно, позволит создать принципиально новые спинтронные элементы. По словам Пугач, технологии сверхпроводящей спинтроники могут быть полезны для создания суперкомпьютеров, мощных серверов, где потребление энергии и выделение тепла создаёт значительно больше проблем, чем на обычных настольных машинах. «Развитие компьютерных технологий было основано на полупроводниках. Для персональных компьютеров это хорошо, но когда на тех же технологиях создают суперкомпьютеры — они греются, шумят, и требуют мощных систем охлаждения. Спинтроника позволит решить эти проблемы», — заключила исследователь.