Ученые воспроизвели эксперимент 1969 года и обнаружили способ улучшить сверхпроводящие спиновые клапаны

Команда исследователей, в состав которой входят российские физики, впервые повторила эксперимент 1969 года, посвященный изучению сверхпроводимости и ее свойств. В ходе исследования ученые подтвердили, что можно эффективно контролировать сверхпроводимость, используя прослойки из диэлектриков между слоями сверхпроводника и ферромагнетиков. Это привело к улучшению характеристик спиновых клапанов по сравнению с классическими моделями, где контакты между слоями идеальны. Такой подход может оказаться полезным при создании более эффективных устройств для хранения данных и вычислений.

Сверхпроводимость – это явление, при котором электрическое сопротивление материала исчезает при очень низких температурах, позволяя току течь без потерь. В 20-м веке ученые исследовали возможности включения и выключения сверхпроводимости по желанию. Для этого была выбрана структура, состоящая из сверхпроводящего металла (S) и двух ферромагнитных слоев (F), расположенных по порядку F-S-F или F-F-S. Направление магнитных полей относительно друг друга влияет на сверхпроводимость, что позволяет управлять ею путем изменения ориентации магнитов. Этот эффект называется эффектом сверхпроводящего спинового клапана (spin valve effect).

Исследование 1969 года, проведенное учеными Ги Дойчером (Deutscher, G.) и Ф. Менье (Meunier, F.), показало, что можно добиться значительного эффекта спинового клапана, если использовать диэлектрические прослойки между ферромагнитными и сверхпроводящими слоями, несмотря на предполагаемое отрицательное влияние этих прослоек. Однако последующие попытки воспроизвести этот результат не увенчались успехом, что вызвало сомнения в корректности эксперимента.

Команда из Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского РАН (КФТИ ФИЦ КазНЦ РАН), Института Лейбница по исследованию твердого тела и материалов (Дрезден) (Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden), Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН (ИТФ им. Л.Д. Ландау РАН) и НИУ ВШЭ впервые смогла повторить эксперимент. Они создали слоистую структуру, в которой использовали свинец как сверхпроводник и кобальт как ферромагнитный материал, а между ними внедрили диэлектрические прослойки, окислив границы. Окислы не проводили ток, что позволило наблюдать значительный эффект сверхпроводящего спинового клапана.

По мнению ученых, оксидные изолирующие прослойки играют двойную роль: ослабляют влияние ферромагнитных слоев на сверхпроводник и поддерживают эффект близости, который позволяет переключаться между нормальным и сверхпроводящим состояниями. Однако остается открытым вопрос, являются ли сами изолирующие прослойки магнитными. Для ответа на этот вопрос требуются дополнительные исследования.

Профессор НИУ ВШЭ Яков Фоминов заявил, что внедрение диэлектрических прослоек, которые не проводят ток, может улучшить систему сверхпроводимости, несмотря на интуитивное предположение об их отрицательном влиянии. По его мнению, это указывает на наличие условно хрупкой сверхпроводимости, чувствительной к внешним воздействиям. Когда ферромагнетики в системе стремятся полностью подавить сверхпроводимость, введение границ помогает восстанавливать ее.

Результаты исследования могут способствовать дальнейшему совершенствованию сверхпроводящих спиновых клапанов, используемых в различных устройствах, включая жесткие диски и датчики магнитных полей. Работа опубликована в журнале Beilstein J. Nanotechnology.