Исследования физиков-теоретиков ОИЯИ способствуют созданию спинтронных устройств

04.09.23 08:44

Научная группа теоретиков ЛТФ открыла ряд неизвестных ранее свойств, проявляемых в этих материалах, разработала некоторые методики контроля намагниченности магнетиков в них, а также предложила способ радикального снижения энергозатрат при функционировании спинтронных устройств. Отдельные теоретические модели, выведенные в ЛТФ, ожидают экспериментальной проверки их коллегами из ЛНФ ОИЯИ.

 

Эффект Джозефсона был предсказан американским физиком Брайаном Джозефсоном в 1962 году, вскоре после чего был подтвержден экспериментально. Эффект заключается в туннелировании спаренных электронов через барьер. Если между двумя слоями сверхпроводника расположен несверхпроводящий материал очень маленькой толщины, к примеру, наноразмерной, то ток будет проходить сквозь этот материал – это явление называется эффектом Джозефсона. Если же прослойка является ферромагнетиком, то есть материалом, обладающим намагниченностью при отсутствии внешнего магнитного поля, то говорят об аномальном эффекте Джозефсона.

 

В то время как эффект Джозефсона отражает сверхпроводниковое явление, аномальный эффект связывает два антагонистических явления – сверхпроводимость и магнетизм, которые до последнего времени не удавалось совместить, поскольку магнитное поле уничтожает сверхпроводимость, а сверхпроводимость выталкивает магнитное поле.

 

«В гибридных джозефсоновских структурах их удалось сблизить, что позволяет сверхпроводимости управлять магнетизмом, а магнетизму влиять на сверхпроводимость. Образно говоря, удалось их «поженить», и этот «брак» стал основой новой области науки: сверхпроводниковой спинтроники», — рассказал ведущий научный сотрудник Лаборатории теоретической физики ОИЯИ Юрий Шукринов.

 

Для реализации этого взаимодействия потребовалось нарушить в гибридной структуре С/Ф две симметрии: симметрию инверсии (пространственных координат) и симметрию относительно обращения времени. Обращение времени – это умозрительная операция, когда в соответствующее уравнение вместо параметра t подставляют -t. Симметрия относительно обращения времени реализуется в кристаллах некоторых химических элементов. Если нарушить эти две симметрии в ферромагнетике, то одним из проявлений новых свойств для структур С/Ф станет изменение ток-фазового соотношения, когда сверхпроводящий ток оказывается связанным с магнитным моментом. «Эту модель назвали φ0 (фи-ноль) джозефсоновским переходом, в нем реализуется связь сверхпроводящего тока, или, более конкретно, фазы, с магнитным моментом ферромагнетика», — прокомментировал Юрий Шукринов.

 

Иллюстрация рассматриваемой системы с эквивалентной схемой электрической цепи. Наномагнит расположен на расстоянии a от центра слабой связи джозефсоновского перехода

 

Эффект Джозефсона находит колоссальные применения в различных областях науки, техники, медицины. В частности, приборы на его основе применяются в сверхпроводниковой электронике для измерения сверхслабых магнитных полей, в квантовой метрологии в качестве современных стандартов вольта, в медицине для снятия магнитоэнцефалограмм головного мозга.

 

Эффект Джозефсона является одной из основ для генерирования и детектирования когерентного электромагнитного излучения в терагерцовой области. Терагерцовая область электромагнитного спектра расположена между инфракрасной и микроволновой областями шкалы электромагнитных волн и является наименее изученной на сегодняшний день.

 

Помимо джозефсоновских структур, терагерцовое излучение возможно получать с помощью лазеров на свободных электронах, один из которых планируется построить на ускорителе ЛИНАК-200 в ОИЯИ. Тогда как на лазере можно будет получать мощное излучение, необходимое для научных экспериментов, система связанных джозефсоновских переходов более компактна и перспективна для широкого применения.

 

Терагерцовый диапазон используется, например, в таких областях, как астрономия, медицина, системы безопасности и экологический мониторинг.

 

«Если у вас есть система связанных джозефсоновских переходов, то мощность в ней растет пропорционально квадрату числа переходов. Ограничения на получаемую мощность накладывает величина тока – слишком большой ток способен вызвать перегрев образцов. На уровне 400 джозефсоновских переходов мощность составляет около одного милливатта – этого достаточно для практических применений. Уже сейчас есть разработки таких приборов по получению терагерцового излучения, в основном, в Японии и США», — рассказал Юрий Шукринов.

 

В Европе на основе исследований ученых ЛТФ ОИЯИ признанные специалисты в области сверхпроводниковой спинтроники Клаудио Гуарчелло и Себастьян Бержерет предложили инновационный криогенный элемент памяти. В его основу был положен метод переворота магнитного момента в джозефсоновских структурах, открытый группой Юрия Шукринова. Ученые ЛТФ разработали методику и продемонстрировали переворот магнитного момента импульсом сверхпроводящего тока, что приводит к радикальному снижению энергозатрат при функционировании спинтронных устройств.

 

В дальнейшем теоретиками ОИЯИ были найдены аналитические критерии переворота в структурах различных типов, обнаружена периодичность в возникновении интервалов переворота при изменении параметров спин-орбитальной связи и гильбертовского затухания, а также отношения джозефсоновской энергии к магнитной.

 

Второй целью исследований, помимо снижения энергозатрат, стала разработка принципиально новых методов контроля намагниченности, что также удалось сделать. Кроме того, были предсказаны проявление свойств маятника Капицы в аномальном джозефсоновском переходе, непрямой захват магнитной прецессии джозефсоновскими осцилляциями под действием внешнего периодического сигнала.

 

Читайте также: