Supraconducteur + ferromagnet: l'étude des paires de triplets Cooper

Plus tôt, nous avons rencontré des supraconducteurs , mais ce matériau cache beaucoup de choses intéressantes. Les supraconducteurs jouent un rôle très important dans le fonctionnement des superordinateurs. Que demandez-vous précisément? En résolvant le problème de minimiser la chaleur dégagée lors du fonctionnement de ces moteurs. Aujourd'hui, nous considérerons l'étude des supraconducteurs "non standard" à triples paires d'électrons avec le moment de spin opposé. Cela semble intrigant, non? Qu'est-ce que c'est, comment cela fonctionne et comment les scientifiques y ont pensé, nous apprendrons de leur rapport. Allons-y.

Base d'étude

Comme nous le savons, un supraconducteur «standard» possède des paires d'électrons à spin opposé, qui sont appelées Kuperovskih, en l'honneur de Leon Cooper, qui a décrit la théorie de ces paires en 1956.


Leon Cooper

Cependant, si le supraconducteur est en contact avec un ferromagnétique non uniformément ordonné, un type exotique de supraconductivité apparaît à la surface. Dans une telle situation, il y a des électrons liés ensemble dans l'un des trois formats de l'état de triplet de spin.

La multiplicité * est une caractérisation du spin d'un atome ou de molécules. Par exemple, un singulet est un système de deux particules dont le spin total est de 0.

À l'heure actuelle, il n'y a pas de preuve matérielle de tels phénomènes, bien que l'apparition de la supraconductivité à l'aide de ferromagnétiques soit observée. Cependant, les scientifiques n'abandonnent pas les tentatives de prouver, quoique théoriquement, l'existence de ce phénomène.

Cette étude présente un modèle théorique qui démontre les traits caractéristiques de la densité des quasiparticules, ce qui est un signe de la présence de paires de triplets avec le même spin. L'outil principal était la spectroscopie à effet tunnel (HFS), qui a été utilisée pour mesurer la densité d'états afin de révéler les caractéristiques de spin des paires de triplets. Mais le test principal était Al / EuS / Ag - aluminium / sulfure d'europium (II) / argent.

De nombreux chercheurs pensent que les hétérostructures hybrides supraconducteur-ferromagnet sont l'un des principaux composants de la fondation du futur calcul. Les paires de Cooper avec le même spin peuvent transporter des informations de spin sans dissipation d'énergie * , réduisant ainsi considérablement sa consommation.

Dissipation d'énergie * - dicton exagéré, la transition de l'énergie en chaleur.

Cependant, à l'heure actuelle, il n'a pas encore été possible de prouver l'existence de triplets avec le même spin, plus précisément, il était impossible de distinguer ces triplets des triplets à spin mixte. Cela est dû à l'absence d'une signature distinctive, ce qui permettrait de distinguer deux États.

De plus, il est également intéressant de comprendre que les transitions de phase dépendantes du spin seront beaucoup plus faibles du côté du supraconducteur dans la structure S / F. Pour tester toutes ces théories, les chercheurs ont décidé d'étudier la densité locale des états (LDOS) dans la structure S / FI / N, où S est un supraconducteur, FI est un isolant ferromagnétique à aimantation non colinéaire et N est un conducteur normal (ordinaire).

Les scientifiques notent qu'avant eux, personne n'avait mené de telles expériences. Ils ont d'abord réussi à déterminer que les états avec le même spin et le spin mixte diffèrent au niveau des structures LDOS.

La zone de triplet résultante autour de l'énergie zéro conduit à la formation de structures symétriques à deux pics autour de la tension de polarisation nulle dans LDOS. La largeur de la zone triplet dépend exclusivement du rapport des états avec le même spin et des états avec un spin mixte. Il en va de même directement de la présence d'un ferromagnet au voisinage immédiat du supraconducteur.

Résultats de recherche

Après une série de calculs LDOS, les scientifiques ont identifié la conductivité différentielle théorique (dI / dV), qui peut être calculée en introduisant certains paramètres expérimentaux comme, pour ainsi dire, des variables. Ces paramètres incluent la température (supérieure à 0) et l'amplitude de la modulation de la tension ajoutée à la polarisation, qui est nécessaire pour les mesures.


L'épaisseur de couche de l'échantillon Al / EuS / Ag.

Les résultats calculés ont été comparés à la spectroscopie à effet tunnel, c'est-à-dire aux résultats mesurés, dI / dV entre un métal normal et un échantillon Al / EuS / Ag. Lors des mesures effectuées au microscope STS, la température était de 290 mK (millikelvins), ce qui est nettement inférieur à la température critique de supraconductivité pour la couche d'Al, qui est Tc = 1,7 K.

Les chercheurs notent également leur observation importante - la formation d'une couche d'oxyde entre les couches Al et EuS. Ce néoplasme joue un rôle important dans la formation de l'ordre magnétique non colinéaire, qui à son tour joue l'un des rôles principaux dans la formation de paires de triplets.


Résultats de la spectroscopie tunnel d'un échantillon Al / EuS / Ag.

Ensuite, les scientifiques ont décidé de caractériser l'échantillon à trois couches en mesurant le spectre du tunnel. Les mesures ont été classées en 4 groupes (image ci-dessus: be).

Le groupe B correspond à l'emplacement de l'aiguille du microscope, où le contact tunnel est trop bruyant pour la spectroscopie ou la supraconductivité elle-même est supprimée. De tels résultats ont été observés assez rarement et étaient liés à des défauts de surface de l'échantillon.

Le groupe C correspond à la zone dure *, qui est assez courante dans les tunnels indépendants du spin et est souvent observée dans les échantillons de référence Al / Ag.

Espace dur et mou * (espace dur et mou) - si la densité d'états tend vers zéro dans une gamme d'énergie étendue, alors on parle de zone dure; si la densité d'états tend vers zéro pour une seule valeur d'énergie, alors c'est une zone douce.

Les plus importants pour cette étude sont les groupes D et E, appelés respectivement zone triplet et spectre de pics de biais nul.

Les données obtenues doivent être combinées en un seul système compréhensible. C'est pour cela qu'un modèle d'aimantation non colinéaire a été créé. Sur la base de données théoriques, les scientifiques ont suggéré que l'apparition des caractéristiques d'une zone triplet correspond à des zones ayant au moins deux directions d'aimantation (c'est-à-dire avec une aimantation non colinéaire). Les chercheurs pensent que ces deux zones prononcées sont dues à la structure de l'échantillon, ou plutôt à la couche intérieure d'EuS et à la couche de surface d'Al (images a, b et c ci-dessous).


Dépendance du modèle aux changements du champ magnétique.

De plus, l'interface ferromagnétique devrait fournir un certain degré de mélange de spin entre les domaines magnétiques à orientation identique.

Étant donné que les résultats de mesure sont plus cohérents avec la théorie BCS, qui est basée sur des paires de Cooper, on peut supposer que la couche ferromagnétique est très mince. Étant donné que la plupart des parties de la couche EuS sont nanocristallines, ce qui est devenu connu par des mesures TEM, la mesure parallèle d'un grand nombre de domaines a montré une aimantation moyenne minimisée. Mais les caractéristiques des zones triplées ne sont observées que dans le cas de domaines localement élargis. Cela réduit considérablement le nombre de domaines étudiés simultanément (sous un seul spot laser). Cela confirme le haut degré de sensibilité de la supraconductivité aux changements structurels dans les domaines magnétiques.

Pour confirmer pleinement la fiabilité du modèle proposé ci-dessus, les scientifiques ont effectué un certain nombre de mesures STS, mais en utilisant un champ magnétique externe. Les résultats de ces mesures sont présentés dans l'image ci-dessus.

Les chercheurs notent qu'en l'absence de champ magnétique externe, les domaines magnétiques de l'échantillon ont une direction d'aimantation aléatoire, indépendante les uns des autres (flèches noires dans les images dm ci-dessus), et des moments magnétiques détectés à l'interface du ferromagnet (flèches grises).

Lorsqu'ils sont exposés à un champ magnétique externe, les moments magnétiques dans l'échantillon sont réorganisés dans la direction, comme dans un champ externe.

Plus tôt, nous avons déjà appris qu'une couche d'oxyde se forme entre les couches Al et EuS. Le fait est que des particules d'EuO (oxyde d'europium), qui est un ferromagnétique avec une température de Curie plus élevée que EuS, y ont été découvertes. De même, les particules EuO participent également à la formation de caractéristiques structurelles avec une aimantation non colinéaire.

Cela a conduit les chercheurs à une configuration magnétique antiparallèle: entre les moments magnétiques de surface et la direction d'aimantation dans la majeure partie de l'échantillon. Ceci peut être réalisé au niveau microscopique précisément grâce à la formation d'une couche d'oxyde ferromagnétique d'EuS dans la structure EuS / Al.

Pour une étude plus détaillée de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques, disponible ici .

Épilogue

Cette étude visait à étudier la possibilité de formation d'états exotiques pour les supraconducteurs en réalisant la structure supraconductrice + ferromagnétique. Et ils ont réussi. Les données théoriques et pratiques montrent de bons résultats. La formation de paires de triplets n'a pas été prouvée auparavant dans la pratique, mais maintenant ce phénomène fera l'objet d'études et d'analyses supplémentaires.

Des expériences pratiques utilisant la spectroscopie à effet tunnel ont montré de réelles preuves de calculs basés sur les recherches théoriques des scientifiques.

Les scientifiques notent que l'utilisation d'EuS comme l'un des principaux composants a permis non seulement d'obtenir une excellente polarisation de spin, mais également de former une couche d'oxyde entre le supraconducteur et le ferromagnet, qui n'a contribué qu'à la formation de paires de triplets.

Cette étude a non seulement confirmé la formation de paires de triplets Cooper inhabituelles, mais a également ouvert la porte à d'autres études sur la possibilité de contrôler le processus de transmission des informations de spin, tout en minimisant la dissipation d'énergie. Et cela peut conduire à la création d'une technologie informatique, exempte de problèmes tels que le dégagement d'une grande quantité de chaleur, une consommation d'énergie élevée, etc. Et c'est formidable, étant donné l'énorme intérêt de l'humanité moderne pour toutes les méthodes possibles d'économie d'énergie, qui n'est pas encore illimité, malheureusement.

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