Superconductor + ferromagnet: el estudio de los pares de tripletas Cooper

Anteriormente, nos reunimos con superconductores , pero este material esconde muchas cosas interesantes. Los superconductores juegan un papel muy importante en la operación de las supercomputadoras. ¿Qué específicamente preguntas? Al resolver el problema de minimizar el calor liberado durante la operación de estos motores. Hoy consideraremos el estudio de superconductores "no estándar" con pares triples de electrones con momento de rotación opuesto. Suena intrigante, ¿verdad? De qué se trata, cómo funciona y cómo lo pensaron los científicos, aprenderemos de su informe. Vamos

Base de estudio

Como sabemos, un superconductor "estándar" tiene pares de electrones con espines opuestos, que se llaman Cooper's, en honor a Leon Cooper, quien describió la teoría de dichos pares en 1956.


Leon Cooper

Sin embargo, si el superconductor está en contacto con un ferromagnet ordenado de manera no uniforme, surge un tipo exótico de superconductividad en la superficie. En tal situación, hay electrones unidos en uno de los tres formatos del estado spin-triplete.

La multiplicidad * es una caracterización del giro de un átomo o moléculas. Por ejemplo, una camiseta es un sistema de dos partículas cuyo giro total es 0.

En la actualidad, no hay evidencia material de tales fenómenos, aunque se observa la aparición de superconductividad con la ayuda de ferromagnetos. Sin embargo, los científicos no abandonan los intentos de demostrar, aunque teóricamente, la existencia de este fenómeno.

Este estudio presenta un modelo teórico que demuestra los rasgos característicos en la densidad de cuasipartículas, que es un signo de la presencia de pares de tripletas con el mismo giro. La herramienta principal fue la espectroscopía de túnel de escaneo (HFS), que se utilizó para medir la densidad de los estados para revelar las características de espín de los pares de tripletas. Pero la prueba principal fue Al / EuS / Ag - aluminio / europio (II) sulfuro / plata.

Muchos investigadores creen que las heteroestructuras híbridas superconductor-ferromagnet son uno de los componentes principales de la base de la computación futura. Los pares de Cooper con el mismo giro pueden transportar información de giro sin disipación de energía * , lo que reduce significativamente su consumo.

Disipación de energía * : dicho exagerado, la transición de la energía al calor.

Sin embargo, en este momento aún no ha sido posible demostrar la existencia de trillizos con el mismo giro, más precisamente, era imposible distinguir tales trillizos de los trillizos con giro mixto. Esto se debe a la falta de una firma distintiva, lo que ayudaría a distinguir dos estados.

Además, también vale la pena entender que las transiciones de fase dependientes de la rotación serán mucho más débiles en el lado del superconductor en la estructura S / F. Para probar todas estas teorías, los investigadores decidieron estudiar la densidad local de estados (LDOS) en la estructura S / FI / N, donde S es un superconductor, FI es un aislante ferromagnético con magnetización no colineal y N es un conductor normal (ordinario).

Los científicos señalan que antes de ellos nadie había realizado tales experimentos. Primero lograron determinar que los estados con el mismo giro y giro mixto difieren en el nivel de las estructuras LDOS.

La zona de triplete resultante alrededor de la energía cero conduce a la formación de estructuras simétricas de dos picos alrededor del voltaje de polarización cero en LDOS. El ancho de la zona de triplete depende exclusivamente de la relación de estados con el mismo giro y estados con un giro mixto. Lo mismo es directamente consecuencia de la presencia de un ferromagnet en las inmediaciones del superconductor.

Resultados de la investigación

Después de una serie de cálculos LDOS, los científicos identificaron la conductividad diferencial teórica (dI / dV), que puede calcularse introduciendo ciertos parámetros experimentales como, por así decirlo, variables. Estos parámetros incluyen la temperatura (superior a 0) y la amplitud de la modulación del voltaje agregado al sesgo, que es necesario para las mediciones.


El espesor de la capa de la muestra Al / EuS / Ag.

Los resultados calculados se compararon con la espectroscopía de túnel, es decir, con los resultados medidos, dI / dV entre un metal normal y una muestra de Al / EuS / Ag. Durante las mediciones realizadas con un microscopio STS, la temperatura fue de 290 mK (milikelvin), que es significativamente más baja que la temperatura crítica de superconductividad para la capa de Al, que es Tc = 1.7 K.

Los investigadores también notan su importante observación: la formación de una capa de óxido entre las capas Al y EuS. Esta neoplasia desempeña un papel importante en la formación del orden magnético no colineal, que a su vez desempeña uno de los papeles principales en la formación de pares de tripletas.


Resultados de la espectroscopía de túnel de una muestra de Al / EuS / Ag.

Luego, los científicos decidieron caracterizar la muestra de tres capas midiendo el espectro del túnel. Las medidas se clasificaron en 4 grupos (imagen de arriba: be).

El grupo B corresponde a la ubicación de la aguja del microscopio, donde el contacto de túnel es demasiado ruidoso para la espectroscopía o se suprime la superconductividad. Tales resultados se observaron con bastante poca frecuencia y se vincularon con defectos superficiales de la muestra.

El grupo C corresponde a la zona dura *, que es bastante común en túneles independientes del giro y a menudo se observa en muestras estándar de Al / Ag.

Brecha dura y blanda * (brecha dura y blanda): si la densidad de los estados tiende a cero en un rango de energía extendido, esto se denomina zona dura; Si la densidad de estados tiende a cero para un solo valor de energía, entonces esta es una zona blanda.

Los más importantes para este estudio son los grupos D y E, que se denominaron zona triple y espectro de picos de sesgo cero, respectivamente.

Los datos obtenidos deben combinarse en un único sistema comprensible. Es para esto que se creó un modelo de magnetización no colineal. Con base en datos teóricos, los científicos sugirieron que la apariencia de los rasgos característicos de una zona de triplete corresponde a áreas con al menos dos direcciones de magnetización (es decir, con magnetización no colineal). Los investigadores creen que estas dos zonas pronunciadas se deben a la estructura de la muestra, o más bien a la capa interna de EuS y la capa superficial de Al (imágenes a, byc a continuación).


Dependencia del modelo de los cambios en el campo magnético.

Además, la interfaz ferromagnética debería proporcionar un cierto grado de mezcla de espín entre dominios magnéticos orientados idénticamente.

Teniendo en cuenta que los resultados de la medición son más consistentes con la teoría BCS, que se basa en pares de Cooper, se puede suponer que la capa ferromagnética es muy delgada. Dado que la mayoría de las partes de la capa de EuS son nanocristalinas, que se conocieron a través de las mediciones TEM, la medición paralela de una gran cantidad de dominios mostró una magnetización promedio minimizada. Pero las características de las zonas de triplete se observan solo en el caso de dominios localmente agrandados. Esto reduce en gran medida el número de dominios estudiados simultáneamente (bajo un único punto láser). Esto confirma el alto grado de sensibilidad de la superconductividad a los cambios estructurales en los dominios magnéticos.

Para confirmar completamente la confiabilidad del modelo propuesto anteriormente, los científicos realizaron una serie de mediciones de STS, pero utilizando un campo magnético externo. Los resultados de estas mediciones se muestran en la imagen de arriba.

Los investigadores señalan que en ausencia de un campo magnético externo, los dominios magnéticos en la muestra tienen una dirección aleatoria de magnetización, que son independientes entre sí (flechas negras en las imágenes dm arriba), y momentos magnéticos detectados en la interfaz del ferromagnet (flechas grises).

Cuando se expone a un campo magnético externo, los momentos magnéticos en la muestra se reordenan en la dirección, como en un campo externo.

Anteriormente, ya aprendimos que se forma una capa de óxido entre las capas Al y EuS. El hecho es que se descubrieron partículas de EuO (óxido de europio), que es un ferromagnet con una temperatura de Curie más alta que EuS. En consecuencia, las partículas de EuO también participan en la formación de características estructurales con magnetización no colineal.

Esto llevó a los investigadores a una configuración magnética antiparalela: entre los momentos magnéticos de la superficie y la dirección de magnetización en la mayor parte de la muestra. Esto se puede lograr a nivel microscópico precisamente gracias a la formación de una capa de óxido ferromagnético de EuS en la estructura EuS / Al.

Para un estudio más detallado del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos, disponible aquí .

Epílogo

Este estudio tuvo como objetivo estudiar la posibilidad de la formación de estados exóticos para superconductores mediante la realización de la estructura superconductor + ferromagnet. Y tuvieron éxito. Los datos teóricos y prácticos muestran buenos resultados. La formación de pares de tripletas no se había probado previamente en la práctica, pero ahora este fenómeno estará sujeto a estudios y análisis adicionales.

Experimentos prácticos utilizando espectroscopía de túnel de escaneo han demostrado evidencia real de cálculos basados ​​en la investigación teórica de los científicos.

Los científicos señalan que el uso de EuS como uno de los componentes principales hizo posible no solo lograr una excelente polarización de espín, sino también formar una capa de óxido entre el superconductor y el ferromagnet, que solo contribuyó a la formación de pares de tripletas.

Este estudio no solo confirmó la formación de pares de Cooper triples inusuales, sino que también abrió la puerta a nuevos estudios sobre la posibilidad de controlar el proceso de transmisión de información de espín, al tiempo que minimiza la disipación de energía. Y esto puede conducir a la creación de tecnología informática, desprovista de problemas tales como la liberación de una gran cantidad de calor, alto consumo de energía, etc. Y esto es genial, dado el enorme interés de la humanidad moderna en todos los métodos posibles para ahorrar energía, que lamentablemente aún no es ilimitado.

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