الموصل الفائق + المغناطيس: دراسة أزواج كوبر الثلاثية

في وقت سابق ، التقينا مع الموصلات الفائقة ، ولكن هذه المادة تخفي الكثير من الأشياء المثيرة للاهتمام. تلعب الموصلات الفائقة دورًا مهمًا للغاية في تشغيل الحواسيب الفائقة. ما على وجه التحديد ، تسأل؟ في حل مشكلة التقليل من الحرارة المنبعثة أثناء تشغيل هذه المحركات. اليوم سننظر في دراسة الموصلات الفائقة "غير المعيارية" مع أزواج ثلاثية من الإلكترونات مع لحظة الدوران المعاكسة. يبدو فضول ، أليس كذلك؟ ما هذا وكيف يعمل ، وكيف فكر العلماء في ذلك سوف نتعلم من تقريرهم. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

كما نعلم ، يوجد الموصل الفائق "القياسي" به أزواج من الإلكترونات ذات دوران معاكس ، يطلق عليها Cooper ، على شرف Leon Cooper ، الذي وصف نظرية هذه الأزواج في عام 1956.


ليون كوبر

ومع ذلك ، إذا كان الموصل الفائق على اتصال مع مغنطيس غير منظم بشكل موحد ، ينشأ نوع غريب من الموصلية الفائقة على السطح. في مثل هذه الحالة ، توجد إلكترونات مرتبطة معًا في أحد التنسيقات الثلاثة للحالة الدورانية الثلاثية.

تعددية * توصيفًا للف الذرة أو الجزيئات. على سبيل المثال ، يعد القميص نظامًا يتكون من جزيئين تدورانهما الإجمالي 0.

في الوقت الحالي ، لا يوجد دليل مادي على مثل هذه الظواهر ، على الرغم من ملاحظة ظهور الموصلية الفائقة بمساعدة المغناطيسات الحديدية. ومع ذلك ، لا يتخلى العلماء عن محاولات إثبات وجود هذه الظاهرة ، وإن كان ذلك من الناحية النظرية.

تقدم هذه الدراسة نموذجًا نظريًا يوضح السمات المميزة لكثافة الجسيمات شبه الجسيمية ، وهو مؤشر على وجود أزواج ثلاثية مع الدوران نفسه. كانت الأداة الرئيسية هي المسح الطيفي للنفق (HFS) ، والذي تم استخدامه لقياس كثافة الحالات للكشف عن خصائص الدوران للأزواج الثلاثية. ولكن الاختبار الرئيسي كان Al / EuS / Ag - الألومنيوم / اليوروبيوم (II) كبريتيد / فضي.

يعتقد العديد من الباحثين أن البنى المغناطيسية المختلطة المغناطيسية المغنطيسية هي أحد المكونات الرئيسية لأساس الحوسبة المستقبلية. يمكن لأزواج Cooper مع نفس الدوران أن تحمل معلومات الدوران دون تبديد الطاقة * ، مما يقلل بشكل كبير من استهلاكها.

تبديد الطاقة * - قول مبالغ فيه ، وانتقال الطاقة إلى حرارة.

ومع ذلك ، في الوقت الحالي ، لم يكن من الممكن حتى الآن إثبات وجود ثلاثة توائم مع نفس الدوران ، وبشكل أكثر دقة ، كان من المستحيل التمييز بين هذه التوائم الثلاثية والثلاثية مع الدوران المختلط. هذا بسبب عدم وجود توقيع مميز ، من شأنه أن يساعد في التمييز بين الدولتين.

بالإضافة إلى ذلك ، يجدر أيضًا أن نفهم أن انتقالات الطور المعتمدة على الدوران ستكون أضعف بكثير على جانب الموصل الفائق في بنية S / F. لاختبار كل هذه النظريات ، قرر الباحثون دراسة الكثافة المحلية للحالات (LDOS) في بنية S / FI / N ، حيث S عبارة عن موصل فائق ، FI عبارة عن عازل مغناطيسي مغناطيسي ذو مغنطيس غير خطي ، و N موصل عادي (عادي).

يلاحظ العلماء أنه من قبلهم لم يقم أحد بإجراء مثل هذه التجارب. لقد نجحوا أولاً في تحديد أن الدول التي لها نفس الدوران والملف المختلط تختلف على مستوى هياكل LDOS.

تؤدي المنطقة الثلاثية الناتجة حول طاقة صفرية إلى تكوين هياكل متماثلة ثنائية الذروة حول جهد انحياز صفري في LDOS. يعتمد عرض المنطقة الثلاثية بشكل حصري على نسبة الحالات التي لها نفس الدوران والحالات ذات الدوران المختلط. وينطبق الشيء نفسه مباشرة على وجود مغنطيس حديد في المنطقة المجاورة مباشرة للموصل الفائق.

نتائج البحوث

بعد سلسلة من عمليات حساب LDOS ، حدد العلماء الموصلية التفاضلية النظرية (dI / dV) ، والتي يمكن حسابها عن طريق إدخال بعض المعلمات التجريبية مثل المتغيرات ، إذا جاز التعبير. تتضمن هذه المعلمات درجة الحرارة (أعلى من 0) وسعة تعديل الجهد المضافة إلى التحيز ، وهو أمر ضروري للقياسات.


سماكة الطبقة لعينة Al / EuS / Ag.

تمت مقارنة النتائج المحسوبة مع التحليل الطيفي للنفق ، أي بالنتائج المقاسة ، dI / dV بين المعدن العادي وعينة Al / EuS / Ag. خلال القياسات التي أجراها مجهر STS ، كانت درجة الحرارة 290 mK (millikelvin) ، وهو أقل بكثير من درجة حرارة الموصلية الفائقة الحرجة لطبقة Al ، والتي هي Tc = 1.7 K.

يلاحظ الباحثون أيضًا ملاحظتهم المهمة - تكوين طبقة أكسيد بين طبقات Al و EuS. يلعب هذا الأورام دورًا مهمًا في تكوين ترتيب مغناطيسي غير خطي ، والذي يلعب بدوره أحد الأدوار الرئيسية في تكوين أزواج ثلاثية.


نتائج التحليل الطيفي للنفق لعينة Al / EuS / Ag.

ثم قرر العلماء وصف العينة المكونة من ثلاثة طبقات بقياس طيف الأنفاق. تم تصنيف القياسات إلى 4 مجموعات (الصورة أعلاه: يكون).

تتطابق المجموعة B مع موقع إبرة المجهر ، حيث يكون ملامس الأنفاق صاخبة للغاية بالنسبة للطيف أو يتم قمع الموصلية الفائقة ذاتها. وقد لوحظت هذه النتائج في حالات نادرة إلى حد ما وتم ربطها بالعيوب السطحية للعينة.

تتوافق المجموعة C مع المنطقة القاسية * ، وهو أمر شائع جدًا في النفق المستقل الدوران وغالبًا ما يتم ملاحظته في عينات Al / Ag قياسية.

الفجوة الصلبة والناعمة * (الفجوة الصلبة والناعمة) - إذا كانت كثافة الحالات تميل إلى الصفر في نطاق طاقة ممتدة ، فإن هذا يُطلق عليه اسم المنطقة الصلبة ؛ إذا كانت كثافة الحالات تميل إلى الصفر لقيمة طاقة واحدة فقط ، فهذه منطقة ناعمة.

والأكثر أهمية في هذه الدراسة هي المجموعتان D و E ، اللتان يطلق عليهما المنطقة الثلاثية وطيف قمم التحيز الصفري ، على التوالي.

يجب دمج البيانات التي تم الحصول عليها في نظام واحد مفهوم. ولهذا الغرض تم إنشاء نموذج للمغناطيس غير اللاخطي. استنادًا إلى البيانات النظرية ، اقترح العلماء أن ظهور ميزات مميزة لمنطقة ثلاثية يتوافق مع مناطق لها اتجاهين على الأقل من المغناطيس (على سبيل المثال ، مع مغنطة غير مغنطيسية). يعتقد الباحثون أن هاتين المنطقتين البارزتين ترجعان إلى بنية العينة ، أو بالأحرى الطبقة الداخلية لـ EuS والطبقة السطحية لـ Al (الصور a و b و c أدناه).


اعتماد النموذج على التغيرات في المجال المغناطيسي.

بالإضافة إلى ذلك ، ينبغي أن توفر الواجهة المغناطيسية المغناطيسية درجة معينة من الخلط الدوار بين المجالات المغناطيسية المتماثلة المنحى.

بالنظر إلى أن نتائج القياس أكثر اتساقًا مع نظرية BCS ، التي تستند إلى أزواج Cooper ، يمكن افتراض أن الطبقة المغناطيسية رقيقة للغاية. نظرًا لأن معظم أجزاء طبقة EuS هي بلورية نانوية ، والتي أصبحت معروفة من خلال قياسات TEM ، فقد أظهر القياس الموازي لعدد كبير من المجالات متوسط ​​مغنطيس ضئيل. لكن يتم ملاحظة خصائص المناطق الثلاثية فقط في حالة المجالات الموسعة محليًا. هذا يقلل بشكل كبير من عدد المجالات التي تمت دراستها في وقت واحد (تحت بقعة ليزر واحدة). هذا يؤكد درجة عالية من حساسية الموصلية الفائقة للتغيرات الهيكلية في المجالات المغناطيسية.

للتأكيد الكامل على موثوقية النموذج المقترح أعلاه ، أجرى العلماء عددًا من قياسات STS ، ولكن باستخدام مجال مغناطيسي خارجي. تظهر نتائج هذه القياسات في الصورة أعلاه.

لاحظ الباحثون أنه في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي ، يكون للمجالات المغناطيسية في العينة اتجاه عشوائي للمغناطيس ، وهي مستقلة عن بعضها البعض (الأسهم السوداء في الصور dm أعلاه) ، واللحظات المغناطيسية المكتشفة على واجهة المغناطيس المغنطيسي (الأسهم الرمادية).

عندما تتعرض لحقل مغناطيسي خارجي ، يتم ترتيب اللحظات المغناطيسية في العينة في الاتجاه ، كما في الحقل الخارجي.

في وقت سابق ، تعلمنا بالفعل أن طبقة أكسيد تتشكل بين طبقات Al و EuS. والحقيقة هي أن جزيئات EuO (أكسيد اليوروبيوم) ، وهو مغناطيسي الحديد مع ارتفاع درجة حرارة كوري من EuS ، تم اكتشافها فيه. وفقًا لذلك ، تشارك جزيئات EuO أيضًا في تكوين الخواص الهيكلية مع مغنطة غير سرطانية.

أدى هذا الباحثين إلى تكوين مغناطيسي مضاد للتوازي: بين لحظات المغناطيسية السطحية واتجاه مغنطة في الجزء الأكبر من العينة. يمكن تحقيق ذلك على المستوى المجهري على وجه التحديد بفضل تشكيل طبقة أكسيد المغنيسيوم المغناطيسي من EuS في بنية EuS / Al.

لدراسة أكثر تفصيلا للدراسة ، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء ، المتاح هنا .

خاتمة

هدفت هذه الدراسة إلى دراسة إمكانية تكوين حالات غريبة للموصلات الفائقة من خلال إدراك بنية الموصلات الفائقة المغناطيسية +. وقد نجحوا. البيانات النظرية والعملية تظهر نتائج جيدة. لم يتم إثبات تشكيل أزواج ثلاثية في السابق من الناحية العملية ، ولكن الآن هذه الظاهرة ستخضع لمزيد من الدراسة والتحليل.

أظهرت التجارب العملية التي تستخدم المسح الطيفي للنفق دليلاً حقيقياً على الحسابات المستندة إلى الأبحاث النظرية للعلماء.

يلاحظ العلماء أن استخدام EuS كأحد المكونات الرئيسية جعل من الممكن تحقيق ليس فقط استقطاب تدور ممتاز ، ولكن أيضًا لتشكيل طبقة أكسيد بين الموصل الفائق والمغناطيس الحديدي ، والتي ساهمت فقط في تكوين أزواج ثلاثية.

لم تؤكد هذه الدراسة فقط تشكيل أزواج كوبر ثلاثية غير عادية ، ولكن أيضًا فتحت الباب لمزيد من الدراسات حول إمكانية التحكم في عملية نقل معلومات الدوران ، مع تقليل تبديد الطاقة إلى الحد الأدنى. وهذا يمكن أن يؤدي إلى إنشاء تكنولوجيا الكمبيوتر ، خالية من مشاكل مثل إطلاق كمية كبيرة من الحرارة ، وارتفاع استهلاك الطاقة ، وما إلى ذلك. وهذا شيء عظيم ، بالنظر إلى الاهتمام الكبير للبشرية المعاصرة بكل الطرق الممكنة لتوفير الطاقة ، والتي ليست غير محدودة بعد ، لسوء الحظ.

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 مراكز) 10GB DDR4 240GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية حتى 1 يناير مجانًا إذا تم الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك طلب هنا .

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ لدينا فقط 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة الأمريكية! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟