Открыто новое явление – управление намагниченностью немагнитного материала через сверхпроводящий слой. С ним связаны перспективы создания принципиально новых устройств спинтроники.

В 2007 году Нобелевская премия была вручена за открытие в 1988 году явления, получившего название гигантское магнитосопротивление. Его суть в том, что электрическое сопротивление трехслойной металлической нанопленки железо-хром-железо сильно зависит от направления намагниченности в слоях железа.

Конструкция исследуемого спинового вентиля. F – ферромагнетик, S – сверхпроводящий материал, N и n – немагнитный металл, AF - антиферромагнетик (желтым цветом показано золото). Схема © M. G. Flokstra et al.

Графики профиля потока мюонов В(у) в золоте (их вид зависит от намагниченности материала) при различной взаимной ориентации магнитных полей в ферромагнитных слоях. Схема © M. G. Flokstra et al.

Как известно, железо –  ферромагнетик, в то время как хром — немагнитный металл. Намагниченность вещества определяется ориентацией спинов его электронов. Когда спины электронов проводимости обоих ферромагнитных слоев направлены в одну сторону, слой хрома хорошо пропускает через себя электрический ток. Но как только их ориентации становятся противоположными, появляется гигантское сопротивление, и электрический ток практически исчезает. Объяснение этого явления было дано на основе квантовой механики, а его использование привело к появлению спинтроники, новой перспективной отрасли электроники. Многослойные структуры с эффектом гигантского магнитосопротивления назвали спиновыми вентилями.

В настоящее время множество научных лабораторий по всему миру занимаются исследованием спинтроники, ведь она уже привела к созданию целого ряда перспективных устройств, в том числе новых устройств памяти для компьютеров. Отдельно стоит отметить исследования по сверхпроводящей спинтронике, которая позволяет значительно снизить энергопотребление, что очень важно для суперкомпьютеров, поскольку выделяемое при протекании токов тепло может вывести их из строя.

Здесь проблемы связаны с тем, что сильное магнитное поле разрушает сверхпроводимость, а сверхпроводники полностью выталкивают из себя магнитное поле. Обычные сверхпроводники и магнитные материалы почти невозможно заставить «общаться» друг с другом из-за их противоположного упорядочения: магнитное поле выстраивает спины электронов в одном направлении, в то время как в куперовских парах электронов, отвечающих за сверхпроводимость, спины направлены противоположно.

Международная группа учёных, в которую входит Наталья Пугач из НИИ ядерной физики имени Скобельцына МГУ, исследовала именно сверхпроводящий спиновый вентиль для того, чтобы научиться управлять спинами электронов. Ведь тот факт, что спин электронов и прочих заряженных частиц крайне сложно контролировать, пока остается главным препятствием на пути развития новых технологий на основе спинтроники.

Исследуемый спиновый вентиль состоял из двух слоев ферромагнетика (кобальта), слоя сверхпроводника (ниобий) толщиной около 150 атомов (50 нм) и слоя золота, представляющего собой немагнитный материал. Малая толщина слоев здесь очень важна, поскольку в «толстом» сверхпроводнике никаких интересных эффектов видно не будет. Информацию о том, как ведет себя намагниченность в разных слоях образца, физики получали, обстреливая экспериментальные образцы мюонами и исследуя их рассеяние по позитронам, образующимся при их распаде. Мюон представляет собой частицу, похожую на электрон, но в 200 раз тяжелее.

В ходе эксперимента ученые обнаружили неожиданный эффект: в тех случаях, когда направления намагниченности слоев ферромагнетика были перпендикулярны, взаимодействие их со сверхпроводником порождало наведенную намагниченность в слое из золота, «перепрыгивая» через сверхпроводник. Когда ученые «поворачивали» намагниченность в одну сторону, сила поля в золоте уменьшалась в 20 раз и эффект почти полностью пропадал. Управлять эффектом можно также с помощью температуры. Данное явление противоречит существующим теоретическим моделям сверхпроводимости и ферромагнетизма.

«Этот эффект не был предсказан, мы очень удивились, когда это нашли, долго пытались объяснить полученные данные с помощью другого распределения намагниченности, которое было предсказано ранее, но данные не сходились. У нас есть некоторые предположения, но полноценного объяснения до сих пор нет. Однако этот эффект дает нам новый способ манипуляции со спинами», — прокомментировала открытие Наталья Пугач. Возможно, на этой основе удастся создать принципиально новые спинтронные элементы.

Результаты исследования опубликованы в престижном журнале Nature Physics.

Схема эксперимента _© M. G. Flokstra et al.

По материалам Пресс-службы НИИ ядерной физики имени Скобельцына МГУ.