Superconductor + ferromagnet: studi pasangan triplet Cooper

Sebelumnya, kami bertemu dengan superkonduktor , tetapi materi ini menyembunyikan banyak hal menarik. Superkonduktor memainkan peran yang sangat penting dalam pengoperasian superkomputer. Khususnya apa, Anda bertanya? Dalam memecahkan masalah meminimalkan panas yang dikeluarkan selama pengoperasian mesin ini. Hari ini kita akan mempertimbangkan studi superkonduktor "non-standar" dengan tiga pasang elektron dengan momen putaran berlawanan. Kedengarannya menarik, bukan? Apa ini, cara kerjanya, dan bagaimana para ilmuwan memikirkannya, kita akan belajar dari laporan mereka. Ayo pergi.

Dasar studi

Seperti yang kita ketahui, superkonduktor "standar" memiliki pasangan elektron dengan putaran berlawanan, yang disebut Cooper, untuk menghormati Leon Cooper, yang menggambarkan teori pasangan tersebut pada tahun 1956.


Leon Cooper

Namun, jika superkonduktor bersentuhan dengan feromagnet yang tidak seragam, jenis superkonduktivitas yang eksotis muncul di permukaan. Dalam situasi seperti itu, ada elektron yang terikat bersama dalam satu dari tiga format keadaan spin-triplet.

Multiplisitas * adalah karakterisasi putaran atom atau molekul. Misalnya, singlet adalah sistem dua partikel yang total putarannya adalah 0.

Saat ini, tidak ada bukti material dari fenomena tersebut, meskipun penampilan superkonduktivitas dengan bantuan feromagnet diamati. Namun, para ilmuwan tidak meninggalkan upaya untuk membuktikan, meskipun secara teoritis, keberadaan fenomena ini.

Penelitian ini menyajikan model teoritis yang menunjukkan fitur karakteristik dalam kepadatan partikel semu, yang merupakan tanda kehadiran pasangan triplet dengan putaran yang sama. Alat utama adalah pemindaian tunneling spectroscopy (HFS), yang digunakan untuk mengukur kepadatan negara untuk mengungkapkan karakteristik putaran pasangan triplet. Tetapi tes utamanya adalah Al / EuS / Ag - aluminium / europium (II) sulfida / perak.

Banyak peneliti percaya bahwa hybrid heterostructures superconductor-ferromagnet adalah salah satu komponen utama dari dasar komputasi masa depan. Pasangan Cooper dengan putaran yang sama dapat membawa informasi putaran tanpa disipasi energi * , sehingga mengurangi konsumsinya secara signifikan.

Pemborosan energi * - perkataan berlebihan, transisi energi menjadi panas.

Namun, pada saat ini belum dimungkinkan untuk membuktikan keberadaan kembar tiga dengan putaran yang sama, lebih tepatnya, tidak mungkin untuk membedakan kembar tiga tersebut dari kembar tiga dengan putaran campuran. Ini karena kurangnya tanda tangan yang khas, yang akan membantu membedakan dua negara.

Selain itu, perlu juga dipahami bahwa transisi fase bergantung-spin akan jauh lebih lemah di sisi superkonduktor dalam struktur S / F. Untuk menguji semua teori ini, para peneliti memutuskan untuk mempelajari kepadatan lokal negara (LDOS) dalam struktur S / FI / N, di mana S adalah superkonduktor, FI adalah isolator feromagnetik dengan magnetisasi non-collinear, dan N adalah konduktor normal (biasa).

Para ilmuwan mencatat bahwa sebelum mereka tidak ada yang melakukan percobaan seperti itu. Mereka pertama-tama berhasil menentukan bahwa keadaan dengan putaran yang sama dan spin campuran berbeda pada tingkat struktur LDOS.

Zona triplet yang dihasilkan di sekitar energi nol mengarah ke pembentukan struktur dua puncak simetris di sekitar tegangan bias nol dalam LDOS. Lebar zona triplet secara eksklusif tergantung pada rasio negara dengan putaran yang sama dan negara dengan putaran campuran. Hal yang sama secara langsung merupakan konsekuensi dari keberadaan feromagnet di sekitar superkonduktor.

Hasil penelitian

Setelah serangkaian perhitungan LDOS, para ilmuwan mengidentifikasi konduktivitas diferensial teoretis (dI / dV), yang dapat dihitung dengan memperkenalkan parameter eksperimental tertentu sebagai variabel. Parameter ini meliputi suhu (di atas 0) dan amplitudo modulasi tegangan yang ditambahkan ke bias, yang diperlukan untuk pengukuran.


Ketebalan lapisan sampel Al / EuS / Ag.

Hasil yang dihitung dibandingkan dengan tunneling spectroscopy, yaitu, dengan hasil yang diukur, dI / dV antara logam normal dan sampel Al / EuS / Ag. Selama pengukuran yang dilakukan oleh mikroskop STS, suhu adalah 290 mK (millikelvin), yang secara signifikan lebih rendah daripada suhu superkonduktivitas kritis untuk lapisan Al, yaitu Tc = 1,7 K.

Para peneliti juga mencatat pengamatan penting mereka - pembentukan lapisan oksida antara lapisan Al dan EuS. Neoplasma ini memainkan peran penting dalam pembentukan susunan magnetik nonkolinier, yang pada gilirannya memainkan salah satu peran utama dalam pembentukan pasangan triplet.


Hasil spektroskopi terowongan sampel Al / EuS / Ag.

Kemudian para ilmuwan memutuskan untuk mengkarakterisasi sampel tiga lapis dengan mengukur spektrum terowongan. Pengukuran dikategorikan ke dalam 4 kelompok (gambar di atas: menjadi).

Grup B sesuai dengan lokasi jarum mikroskop, di mana kontak tunneling terlalu berisik untuk spektroskopi atau superkonduktivitas itu sendiri ditekan. Hasil seperti itu diamati agak jarang dan dikaitkan dengan cacat permukaan sampel.

Grup C berhubungan dengan zona keras *, yang cukup umum dalam tunnel-spin-independen dan sering diamati dalam sampel Al / Ag standar.

Celah keras dan lunak * (celah keras dan lunak) - jika kepadatan negara cenderung nol dalam rentang energi yang diperluas, maka ini disebut zona keras; jika kepadatan negara cenderung nol hanya untuk satu nilai energi, maka ini adalah zona lunak.

Yang paling penting untuk studi ini adalah kelompok D dan E, yang disebut zona triplet dan spektrum puncak dari bias nol, masing-masing.

Data yang diperoleh harus digabungkan menjadi satu sistem yang dapat dimengerti. Untuk inilah model magnetisasi noncollinear dibuat. Berdasarkan data teoritis, para ilmuwan menyarankan bahwa penampilan fitur karakteristik zona triplet sesuai dengan daerah dengan setidaknya dua arah magnetisasi (mis., Dengan magnetisasi noncollinear). Para peneliti percaya bahwa dua zona yang diucapkan ini disebabkan oleh struktur sampel, atau lebih tepatnya lapisan dalam EuS dan lapisan permukaan Al (gambar a, b dan c di bawah).


Ketergantungan model pada perubahan medan magnet.

Selain itu, antarmuka feromagnetik harus memberikan tingkat tertentu putaran pencampuran antara domain magnetik yang berorientasi identik.

Mempertimbangkan bahwa hasil pengukuran lebih konsisten dengan teori BCS, yang didasarkan pada pasangan Cooper, dapat diasumsikan bahwa lapisan feromagnetik sangat tipis. Karena sebagian besar lapisan EuS adalah nanokristalin, yang kemudian diketahui melalui pengukuran TEM, pengukuran paralel sejumlah besar domain menunjukkan magnetisasi rata-rata yang diminimalkan. Tetapi karakteristik zona triplet diamati hanya dalam kasus domain yang diperbesar secara lokal. Ini sangat mengurangi jumlah domain yang dipelajari secara bersamaan (di bawah satu laser spot). Ini menegaskan tingginya tingkat sensitivitas superkonduktivitas terhadap perubahan struktural dalam domain magnetik.

Untuk sepenuhnya mengkonfirmasi keandalan model yang diusulkan di atas, para ilmuwan melakukan sejumlah pengukuran STS, tetapi menggunakan medan magnet eksternal. Hasil pengukuran ini ditunjukkan pada gambar di atas.

Para peneliti mencatat bahwa dengan tidak adanya medan magnet eksternal, domain magnetik dalam sampel memiliki arah magnetisasi acak, yang independen satu sama lain (panah hitam pada gambar dm di atas), dan momen magnetik terdeteksi pada antarmuka ferromagnet (panah abu-abu).

Ketika terpapar ke medan magnet eksternal, momen magnetik dalam sampel diatur ulang ke arah, seperti di medan eksternal.

Sebelumnya, kita sudah belajar bahwa lapisan oksida terbentuk antara lapisan Al dan EuS. Faktanya adalah bahwa partikel EuO (europium oksida), yang merupakan ferromagnet dengan suhu Curie yang lebih tinggi daripada EuS, ditemukan di dalamnya. Dengan demikian, partikel EuO juga mengambil bagian dalam pembentukan fitur struktural dengan magnetisasi noncollinear.

Ini mengarahkan para peneliti ke konfigurasi magnetik antiparalel: antara momen magnetik permukaan dan arah magnetisasi dalam sebagian besar sampel. Ini dapat dicapai pada tingkat mikroskopik dengan tepat berkat pembentukan lapisan oksida feromagnetik EuS dalam struktur EuS / Al.

Untuk studi yang lebih rinci dari studi ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan, tersedia di sini .

Epilog

Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari kemungkinan pembentukan keadaan eksotis untuk superkonduktor dengan mewujudkan struktur superkonduktor + ferromagnet. Dan mereka berhasil. Data teoritis dan praktis menunjukkan hasil yang baik. Pembentukan pasangan triplet belum pernah dibuktikan sebelumnya dalam praktiknya, tetapi sekarang fenomena ini akan menjadi subjek studi dan analisis lebih lanjut.

Percobaan praktis menggunakan pemindaian tunneling spektroskopi telah menunjukkan bukti nyata perhitungan berdasarkan penelitian teoritis para ilmuwan.

Para ilmuwan mencatat bahwa penggunaan EuS sebagai salah satu komponen utama memungkinkan untuk mencapai tidak hanya polarisasi spin yang sangat baik, tetapi juga untuk membentuk lapisan oksida antara superkonduktor dan ferromagnet, yang hanya berkontribusi pada pembentukan pasangan triplet.

Studi ini tidak hanya mengkonfirmasi pembentukan pasangan triplet Cooper yang tidak biasa, tetapi juga membuka pintu untuk studi lebih lanjut tentang kemungkinan mengendalikan proses transmisi informasi putaran, sambil meminimalkan disipasi energi. Dan ini dapat mengarah pada penciptaan teknologi komputer, tanpa masalah seperti pelepasan panas dalam jumlah besar, konsumsi energi tinggi, dll. Dan ini luar biasa, mengingat besarnya minat umat manusia modern terhadap semua metode penghematan energi yang memungkinkan, yang belum terbatas, sayangnya.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga 1 Januari gratis jika dibayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?