Команда исследователей с участием физиков из НИУ ВШЭ повторила эксперимент 1969 года, связанный с изучением сверхпроводимости и ее свойств. Это первая удачная попытка за 55 лет. Ученые включали сверхпроводимость — специально ухудшали границы между слоями сверхпроводника и ферромагнетиков в системе — и получили лучшие характеристики спиновых клапанов по сравнению с классическим вариантом, где контакты между слоями идеальны. Такой подход может помочь при создании более эффективных устройств для хранения данных и вычислений.
Конструкция подготовленных образцов. Области, обведенные поперечным пунктиром, изображают изолирующие прослойки / © Андрей А. Камашев и другие, Beilstein J. Nanotechnology
Результаты исследования опубликованы в журнале Beilstein J. Nanotechnology. Когда электрический ток течет по металлическому проводу, он встречает сопротивление. Однако если охладить некоторые материалы до очень низких температур, то сопротивление исчезает, и электричество течет без потерь. Это свойство называют сверхпроводимостью.
Еще с XX века ученые работали над системой, где сверхпроводимость можно будет включать и выключать по желанию. В результате была выбрана структура, в которой сверхпроводящий металл контактирует с двумя ферромагнетиками, влияющими на сверхпроводящие свойства. Один сверхпроводящий слой (S) и два ферромагнитных (F) располагают в порядке F-S-F или F-F-S. Направление магнитов относительно друг друга влияет на общую сверхпроводимость в системе, поэтому если зафиксировать направление одного, а другой вращать, то можно включать и выключать сверхпроводимость. Такое явление называют эффектом сверхпроводящего спинового клапана.
Считается, что когда переход между различными слоями (магнитными и немагнитными) выполнен без барьеров, дефектов и примесей, то удается добиться наибольшего эффекта спинового клапана. Однако в эксперименте 1969 года ученые Дойчер и Минье показали, что система может работать эффективно и при внедрении прослоек из диэлектрика — материала, который не проводит электрический ток, но через который могут проходить электроны. Согласно их данным, в структуре с диэлектрическими прослойками возможно сохранить выраженный эффект спинового клапана. Однако другие научные команды не могли повторить этот результат.
Впервые эксперимент ученых повторила команда из Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского РАН, Института Лейбница по исследованию твердого тела и материалов (Дрезден), Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН и НИУ ВШЭ. Они создали слоистую структуру, в которой использовали свинец как сверхпроводник, кобальт как ферромагнетик, а между ними экспериментально внедрили диэлектрические прослойки. Для этого на одном из этапов изготовления структуры дополнительно вводили кислород, чтобы окислить границы. Полученные окислы уже не проводили электрический ток.
Данные показали, что в полученных структурах наблюдается значительный эффект сверхпроводящего спинового клапана. Ученые объясняют результат тем, что оксидные изолирующие прослойки могут играть двойную роль: ослаблять влияние металлического ферромагнитного слоя на слой сверхпроводника и поддерживать некий эффект близости, который позволяет переключаться между нормальным и сверхпроводящим состояниями. Однако остается открытым вопрос, являются ли сами изолирующие прослойки магнитными. Для ответа на него требуются дополнительные исследования.
«С точки зрения наивной логики внедрение элементов, которые не проводят ток, — ухудшение для системы. Однако оказалось, что это не всегда так. Диэлектрические прослойки улучшают систему, а их отсутствие, наоборот, “убивает” сверхпроводимость, — объясняет профессор факультета физики, ведущий научный сотрудник Международной лаборатории физики конденсированного состояния НИУ ВШЭ Яков Фоминов. — По-видимому, мы имеем дело с условно хрупкой сверхпроводимостью, чувствительной к внешним воздействиям. И когда ферромагнетики в системе хотят полностью подавить сверхпроводимость, введением границ сверхпроводимость удается восстанавливать».
Эффект спинового клапана используется для чтения информации с жестких дисков, в датчиках, измеряющие магнитные поля в компасах и других устройствах. Ученые считают, что продолжение исследования этого подхода поможет улучшить рабочие параметры сверхпроводящих спиновых клапанов. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ.
