Supraleiter + Ferromagnet: die Untersuchung von Triplett-Cooper-Paaren

Früher haben wir uns mit Supraleitern getroffen , aber dieses Material verbirgt viele interessante Dinge. Supraleiter spielen beim Betrieb von Supercomputern eine sehr wichtige Rolle. Was genau fragst du? Bei der Lösung des Problems der Minimierung der beim Betrieb dieser Motoren freigesetzten Wärme. Heute werden wir die Untersuchung von "nicht standardmäßigen" Supraleitern mit dreifachen Elektronenpaaren mit entgegengesetztem Spinmoment betrachten. Klingt faszinierend, oder? Was dies ist, wie es funktioniert und wie Wissenschaftler darüber dachten, werden wir aus ihrem Bericht lernen. Lass uns gehen.

Studienbasis

Wie wir wissen, hat ein "Standard" -Supraleiter Elektronenpaare mit entgegengesetzten Spins, die zu Ehren von Leon Cooper, der bereits 1956 die Theorie solcher Paare beschrieb, Coopers genannt werden.


Leon Cooper

Wenn der Supraleiter jedoch mit einem ungleichmäßig geordneten Ferromagneten in Kontakt steht, entsteht auf der Oberfläche eine exotische Art von Supraleitung. In einer solchen Situation sind Elektronen in einem von drei Formaten des Spin-Triplett-Zustands miteinander verbunden.

Multiplizität * ist eine Charakterisierung des Spins eines Atoms oder von Molekülen. Zum Beispiel ist ein Singulett ein System aus zwei Teilchen, deren Gesamtspin 0 ist.

Derzeit gibt es keine wesentlichen Hinweise auf solche Phänomene, obwohl das Auftreten von Supraleitung mit Hilfe von Ferromagneten beobachtet wird. Wissenschaftler geben jedoch Versuche, die Existenz dieses Phänomens theoretisch zu beweisen, nicht auf.

Diese Studie präsentiert ein theoretisches Modell, das die charakteristischen Merkmale der Dichte von Quasiteilchen demonstriert, was ein Zeichen für das Vorhandensein von Triplettpaaren mit demselben Spin ist. Das Hauptwerkzeug war die Rastertunnelspektroskopie (HFS), mit der die Zustandsdichte gemessen wurde, um die Spin-Eigenschaften von Triplettpaaren aufzudecken. Der Haupttest war jedoch Al / EuS / Ag - Aluminium / Europium (II) sulfid / Silber.

Viele Forscher glauben, dass die Supraleiter-Ferromagneten der Hybrid-Heterostrukturen eine der Hauptkomponenten der Grundlage für zukünftige Berechnungen sind. Cooper-Paare mit demselben Spin können Spininformationen ohne Energiedissipation * übertragen , wodurch der Verbrauch erheblich reduziert wird.

Energiedissipation * - übertriebenes Sprichwort, der Übergang von Energie in Wärme.

Im Moment war es jedoch noch nicht möglich, die Existenz von Drillingen mit demselben Spin nachzuweisen, genauer gesagt, es war unmöglich, solche Drillinge von Drillingen mit gemischtem Spin zu unterscheiden. Dies ist auf das Fehlen einer eindeutigen Signatur zurückzuführen, die zur Unterscheidung zweier Staaten beitragen würde.

Darüber hinaus ist es sinnvoll zu verstehen, dass spinabhängige Phasenübergänge auf der Seite des Supraleiters in der S / F-Struktur viel schwächer sind. Um all diese Theorien zu testen, beschlossen die Forscher, die lokale Zustandsdichte (LDOS) in der S / FI / N-Struktur zu untersuchen, wobei S ein Supraleiter, FI ein ferromagnetischer Isolator mit nichtkollinearer Magnetisierung und N ein normaler (gewöhnlicher) Leiter ist.

Wissenschaftler stellen fest, dass vor ihnen niemand solche Experimente durchgeführt hatte. Zunächst gelang es ihnen festzustellen, dass sich Zustände mit demselben Spin und gemischtem Spin auf der Ebene der LDOS-Strukturen unterscheiden.

Die resultierende Triplettzone um die Nullenergie führt zur Bildung symmetrischer Zwei-Spitzen-Strukturen um die Nullvorspannung in LDOS. Die Breite der Triplettzone hängt ausschließlich vom Verhältnis der Zustände mit demselben Spin und der Zustände mit gemischtem Spin ab. Das gleiche ist direkt eine Folge des Vorhandenseins eines Ferromagneten in unmittelbarer Nähe des Supraleiters.

Forschungsergebnisse

Nach einer Reihe von LDOS-Berechnungen identifizierten die Wissenschaftler die theoretische differentielle Leitfähigkeit (dI / dV), die durch Einführung bestimmter experimenteller Parameter sozusagen als Variablen berechnet werden kann. Diese Parameter umfassen die Temperatur (über 0) und die Amplitude der Modulation der Spannung, die zur Vorspannung hinzugefügt wird, die für Messungen erforderlich ist.


Die Schichtdicke der Al / EuS / Ag-Probe.

Die berechneten Ergebnisse wurden mit der Tunnelspektroskopie verglichen, dh mit den gemessenen Ergebnissen dI / dV zwischen einem normalen Metall und einer Al / EuS / Ag-Probe. Während Messungen mit einem STS-Mikroskop betrug die Temperatur 290 mK (Millikelvin), was signifikant niedriger ist als die kritische Supraleitungstemperatur für die Al-Schicht, die Tc = 1,7 K beträgt.

Die Forscher bemerken auch ihre wichtige Beobachtung - die Bildung einer Oxidschicht zwischen Al- und EuS-Schichten. Dieses Neoplasma spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung einer nichtkollinearen magnetischen Ordnung, die wiederum eine der Hauptrollen bei der Bildung von Triplettpaaren spielt.


Ergebnisse der Tunnelspektroskopie einer Al / EuS / Ag-Probe.

Dann beschlossen die Wissenschaftler, die dreischichtige Probe durch Messung des Tunnelspektrums zu charakterisieren. Die Messungen wurden in 4 Gruppen eingeteilt (Bild oben: be).

Gruppe B entspricht dem Ort der Mikroskopnadel, an dem der Tunnelkontakt für die Spektroskopie zu verrauscht ist oder die Supraleitung selbst unterdrückt wird. Solche Ergebnisse wurden eher selten beobachtet und waren an Oberflächendefekte der Probe gebunden.

Gruppe C entspricht der harten Zone *, die beim spinunabhängigen Tunneln häufig vorkommt und häufig in Standard-Al / Ag-Proben beobachtet wird.

Harte und weiche Lücke * (harte und weiche Lücke) - Wenn die Zustandsdichte in einem erweiterten Energiebereich gegen Null geht, spricht man von einer harten Zone. Wenn die Zustandsdichte für nur einen Energiewert gegen Null geht, ist dies eine weiche Zone.

Die wichtigsten für diese Studie sind die Gruppen D und E, die als Triplettzone bzw. als Spektrum der Peaks mit Nullvorspannung bezeichnet wurden.

Die erhaltenen Daten müssen zu einem einzigen verständlichen System zusammengefasst werden. Aus diesem Grund wurde ein Modell der nichtkollinearen Magnetisierung erstellt. Basierend auf theoretischen Daten schlugen die Wissenschaftler vor, dass das Auftreten von Merkmalen, die für eine Triplettzone charakteristisch sind, Bereichen mit mindestens zwei Magnetisierungsrichtungen (d. H. Mit nichtkollinearer Magnetisierung) entspricht. Die Forscher glauben, dass diese beiden ausgeprägten Zonen auf die Struktur der Probe bzw. auf die innere Schicht von EuS und die Oberflächenschicht von Al zurückzuführen sind (Bilder a, b und c unten).


Abhängigkeit des Modells von Änderungen im Magnetfeld.

Zusätzlich sollte die ferromagnetische Grenzfläche ein gewisses Maß an Spinmischung zwischen identisch orientierten magnetischen Domänen bereitstellen.

In Anbetracht der Tatsache, dass die Messergebnisse besser mit der BCS-Theorie übereinstimmen, die auf Cooper-Paaren basiert, kann angenommen werden, dass die ferromagnetische Schicht sehr dünn ist. Da die meisten Teile der EuS-Schicht nanokristallin sind, was durch TEM-Messungen bekannt wurde, zeigte die parallele Messung einer großen Anzahl von Domänen eine minimierte durchschnittliche Magnetisierung. Die Eigenschaften von Triplettzonen werden jedoch nur bei lokal vergrößerten Domänen beobachtet. Dies reduziert die Anzahl gleichzeitig untersuchter Domänen (unter einem einzelnen Laserpunkt) erheblich. Dies bestätigt die hohe Empfindlichkeit der Supraleitung gegenüber strukturellen Veränderungen in magnetischen Domänen.

Um die Zuverlässigkeit des oben vorgeschlagenen Modells vollständig zu bestätigen, führten die Wissenschaftler eine Reihe von STS-Messungen durch, wobei jedoch ein externes Magnetfeld verwendet wurde. Die Ergebnisse dieser Messungen sind im obigen Bild dargestellt.

Die Forscher stellen fest, dass in Abwesenheit eines externen Magnetfelds die magnetischen Domänen in der Probe eine zufällige Magnetisierungsrichtung aufweisen, die unabhängig voneinander sind (schwarze Pfeile in den Bildern dm oben) und magnetische Momente an der Grenzfläche des Ferromagneten erfasst werden (graue Pfeile).

Wenn sie einem externen Magnetfeld ausgesetzt werden, werden die magnetischen Momente in der Probe wie in einem externen Feld in der Richtung neu angeordnet.

Wir haben bereits früher erfahren, dass sich zwischen der Al- und der EuS-Schicht eine Oxidschicht bildet. Tatsache ist, dass darin Partikel von EuO (Europiumoxid) entdeckt wurden, einem Ferromagneten mit einer höheren Curie-Temperatur als EuS. Dementsprechend sind EuO-Partikel auch an der Bildung von Strukturmerkmalen mit nichtkollinearer Magnetisierung beteiligt.

Dies führte die Forscher zu einer antiparallelen magnetischen Konfiguration: zwischen magnetischen Oberflächenmomenten und der Magnetisierungsrichtung in der Masse der Probe. Dies kann auf mikroskopischer Ebene gerade dank der Bildung einer ferromagnetischen Oxidschicht aus EuS in der EuS / Al-Struktur erreicht werden.

Für eine detailliertere Untersuchung der Studie empfehle ich Ihnen, den hier verfügbaren Bericht von Wissenschaftlern zu lesen.

Nachwort

Ziel dieser Studie war es, die Möglichkeit der Bildung exotischer Zustände für Supraleiter durch Realisierung der Supraleiter + Ferromagnet-Struktur zu untersuchen. Und es gelang ihnen. Theoretische und praktische Daten zeigen gute Ergebnisse. Die Bildung von Triplettpaaren wurde bisher in der Praxis nicht nachgewiesen, aber jetzt wird dieses Phänomen weiter untersucht und analysiert.

Praktische Experimente mit Rastertunnelspektroskopie haben echte Hinweise auf Berechnungen gezeigt, die auf der theoretischen Forschung von Wissenschaftlern basieren.

Wissenschaftler stellen fest, dass die Verwendung von EuS als eine der Hauptkomponenten es ermöglichte, nicht nur eine hervorragende Spinpolarisation zu erreichen, sondern auch eine Oxidschicht zwischen dem Supraleiter und dem Ferromagneten zu bilden, die nur zur Bildung von Triplettpaaren beitrug.

Diese Studie bestätigte nicht nur die Bildung ungewöhnlicher Triplett-Cooper-Paare, sondern öffnete auch die Tür für weitere Studien zur Möglichkeit, den Prozess der Übertragung von Spininformationen zu steuern und gleichzeitig die Energiedissipation zu minimieren. Und dies kann zur Schaffung von Computertechnologie führen, ohne Probleme wie die Freisetzung einer großen Wärmemenge, einen hohen Energieverbrauch usw. Und das ist großartig angesichts des großen Interesses der modernen Menschheit an allen möglichen Methoden zur Energieeinsparung, das leider noch nicht unbegrenzt ist.

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