Supercondutor + ferro-ímã: o estudo dos pares triplos de Cooper

Anteriormente, nos encontramos com supercondutores , mas esse material oculta muitas coisas interessantes. Os supercondutores desempenham um papel muito importante na operação dos supercomputadores. O que especificamente, você pergunta? Ao resolver o problema de minimizar o calor liberado durante a operação desses motores. Hoje vamos considerar o estudo de supercondutores "não padronizados" com pares triplos de elétrons com o momento de rotação oposto. Parece intrigante, certo? O que é isso, como funciona e como os cientistas pensaram, aprenderemos com o relatório deles. Vamos lá

Base de estudo

Como sabemos, um supercondutor "padrão" possui pares de elétrons com rotação oposta, chamados Kuperovskih, em homenagem a Leon Cooper, que descreveu a teoria desses pares em 1956.


Leon Cooper

No entanto, se o supercondutor estiver em contato com um ferro-ímã não uniformemente ordenado, um tipo exótico de supercondutividade surge na superfície. Em tal situação, há elétrons unidos em um dos três formatos do estado de rotação e trigêmeo.

Multiplicidade * é uma caracterização do giro de um átomo ou moléculas. Por exemplo, um singleto é um sistema de duas partículas cuja rotação total é 0.

Atualmente, não há evidências materiais de tais fenômenos, embora seja observado o aparecimento de supercondutividade com a ajuda de ferromagnetos. No entanto, os cientistas não abandonam as tentativas de provar, embora teoricamente, a existência desse fenômeno.

Este estudo apresenta um modelo teórico que demonstra as características da densidade de quasipartículas, o que é um sinal da presença de pares de trigêmeos com o mesmo giro. A ferramenta principal foi a espectroscopia de varredura por tunelamento (HFS), que foi usada para medir a densidade de estados para revelar as características de rotação dos pares tripletos. Mas o teste principal foi Al / EuS / Ag - alumínio / európio (II) sulfeto / prata.

Muitos pesquisadores acreditam que as superestruturas híbridas supercondutor-ferromagnet são um dos principais componentes da fundação da computação futura. Os pares Cooper com o mesmo giro podem transportar informações de giro sem dissipação de energia * , reduzindo significativamente seu consumo.

Dissipação de energia * - ditado exagerado, a transição de energia em calor.

No entanto, no momento ainda não foi possível provar a existência de trigêmeos com o mesmo giro, mais precisamente, era impossível distinguir tais trigêmeos dos trigêmeos com giro misto. Isso ocorre devido à falta de uma assinatura distinta, o que ajudaria a distinguir dois estados.

Além disso, também vale a pena entender que as transições de fase dependentes de rotação serão muito mais fracas no lado do supercondutor na estrutura S / F. Para testar todas essas teorias, os pesquisadores decidiram estudar a densidade local dos estados (LDOS) na estrutura S / FI / N, onde S é um supercondutor, FI é um isolador ferromagnético com magnetização não colinear e N é um condutor normal (comum).

Os cientistas observam que antes deles ninguém havia realizado tais experimentos. Eles primeiro conseguiram determinar que estados com o mesmo giro e giro misto diferem no nível das estruturas do LDOS.

A zona tripla resultante em torno da energia zero leva à formação de estruturas simétricas de dois picos em torno da tensão de polarização zero no LDOS. A largura da zona tripla depende exclusivamente da proporção de estados com o mesmo giro e estados com um giro misto. O mesmo é diretamente uma conseqüência da presença de um ferro-ímã na vizinhança imediata do supercondutor.

Resultados da pesquisa

Após uma série de cálculos de LDOS, os cientistas identificaram a condutividade diferencial teórica (dI / dV), que pode ser calculada através da introdução de certos parâmetros experimentais como, por assim dizer, variáveis. Esses parâmetros incluem temperatura (acima de 0) e a amplitude da modulação da tensão adicionada ao viés, necessária para as medições.


A espessura da camada da amostra Al / EuS / Ag.

Os resultados calculados foram comparados com a espectroscopia de tunelamento, ou seja, com os resultados medidos, dI / dV entre um metal normal e uma amostra de Al / EuS / Ag. Durante as medições feitas por um microscópio STS, a temperatura foi de 290 mK (milikelvin), que é significativamente menor que a temperatura crítica de supercondutividade da camada Al, que é Tc = 1,7 K.

Os pesquisadores também observam sua observação importante - a formação de uma camada de óxido entre as camadas Al e EuS. Essa neoplasia desempenha um papel importante na formação da ordenação magnética não colinear, que, por sua vez, desempenha um dos papéis principais na formação de pares de trigêmeos.


Resultados da espectroscopia no túnel de uma amostra de Al / EuS / Ag.

Então os cientistas decidiram caracterizar a amostra de três camadas medindo o espectro do túnel. As medidas foram categorizadas em 4 grupos (imagem acima: be).

O grupo B corresponde à localização da agulha do microscópio, onde o contato de tunelamento é muito barulhento para a espectroscopia ou a supercondutividade é suprimida. Tais resultados foram observados muito raramente e foram associados a defeitos de superfície da amostra.

O grupo C corresponde à zona rígida *, que é bastante comum no tunelamento independente da rotação e é frequentemente observada em amostras padrão de Al / Ag.

Folga bruta e branda * (folga branda e branda) - se a densidade dos estados tende a zero em uma faixa de energia estendida, isso é chamado de zona dura; se a densidade dos estados tende a zero para apenas um valor de energia, essa é uma zona flexível.

Os mais importantes para este estudo são os grupos D e E, chamados zona tripla e espectro de picos de viés zero, respectivamente.

Os dados obtidos devem ser combinados em um único sistema compreensível. É por isso que um modelo de magnetização não colinear foi criado. Com base em dados teóricos, os cientistas sugeriram que o aparecimento de características características de uma zona tripla corresponde a áreas com pelo menos duas direções de magnetização (isto é, com magnetização não colinear). Os pesquisadores acreditam que essas duas zonas pronunciadas são devidas à estrutura da amostra, mais precisamente à camada interna da EuS e à camada superficial do Al (imagens a, bec abaixo).


Dependência do modelo em mudanças no campo magnético.

Além disso, a interface ferromagnética deve fornecer um certo grau de mistura de spin entre domínios magnéticos orientados de forma idêntica.

Considerando que os resultados da medição são mais consistentes com a teoria BCS, baseada em pares de Cooper, pode-se supor que a camada ferromagnética seja muito fina. Como a maioria das partes da camada EuS é nanocristalina, que se tornou conhecida por meio de medições de TEM, a medição paralela de um grande número de domínios mostrou uma magnetização média minimizada. Mas as características das zonas triplas são observadas apenas no caso de domínios aumentados localmente. Isso reduz bastante o número de domínios estudados simultaneamente (sob um único ponto de laser). Isso confirma o alto grau de sensibilidade da supercondutividade às mudanças estruturais nos domínios magnéticos.

Para confirmar completamente a confiabilidade do modelo proposto acima, os cientistas realizaram várias medições de STS, mas usando um campo magnético externo. Os resultados dessas medições são mostrados na imagem acima.

Os pesquisadores observam que, na ausência de um campo magnético externo, os domínios magnéticos da amostra têm uma direção aleatória de magnetização, que são independentes um do outro (setas pretas nas imagens dm acima) e momentos magnéticos detectados na interface do ferromagnet (setas cinza).

Quando expostos a um campo magnético externo, os momentos magnéticos da amostra são reorganizados na direção, como em um campo externo.

Anteriormente, já aprendemos que uma camada de óxido se forma entre as camadas Al e EuS. O fato é que partículas de EuO (óxido de európio), que é um ferro-ímã com uma temperatura Curie mais alta que a EuS, foram descobertas nele. Consequentemente, as partículas de EuO também participam da formação de características estruturais com magnetização não colinear.

Isso levou os pesquisadores a uma configuração magnética antiparalela: entre momentos magnéticos da superfície e a direção da magnetização na maior parte da amostra. Isso pode ser alcançado no nível microscópico precisamente graças à formação de uma camada de óxido ferromagnético de EuS na estrutura EuS / Al.

Para um estudo mais detalhado do estudo, recomendo que você analise o relatório de cientistas, disponível aqui .

Epílogo

Este estudo teve como objetivo estudar a possibilidade de formação de estados exóticos para supercondutores, realizando a estrutura supercondutor + ferro-ímã. E eles conseguiram. Dados teóricos e práticos mostram bons resultados. A formação de pares de trigêmeos ainda não foi comprovada na prática, mas agora esse fenômeno estará sujeito a estudos e análises adicionais.

Experimentos práticos usando espectroscopia de varredura por tunelamento mostraram evidências reais de cálculos baseados na pesquisa teórica dos cientistas.

Os cientistas observam que o uso da EuS como um dos principais componentes tornou possível obter não apenas excelente polarização de rotação, mas também formar uma camada de óxido entre o supercondutor e o ferro-ímã, o que apenas contribuiu para a formação de pares de trigêmeos.

Este estudo não apenas confirmou a formação de pares triplos incomuns de Cooper, mas também abriu as portas para novos estudos sobre a possibilidade de controlar o processo de transmissão de informações de rotação, minimizando a dissipação de energia. E isso pode levar à criação de tecnologia de computador, sem problemas como a liberação de uma grande quantidade de calor, alto consumo de energia, etc. E isso é ótimo, dado o enorme interesse da humanidade moderna em todos os métodos possíveis de economia de energia, que ainda não são ilimitados, infelizmente.

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