Відкрито нове явище - управління намагниченістю немагнітного матеріалу через надпровідний шар. З ним пов'язані перспективи створення принципово нових пристроїв спинтроніки.
У 2007 році Нобелівська премія була вручена за відкриття в 1988 році явища, що отримав назву гігантське магнітосопротивлення. Його суть в тому, що електричний опір тришарової металевої наноплівки залізо-хром-залізо сильно залежить від напрямку намагниченості в шарах заліза.
Як відомо, залізо - ферромагнетик, тоді як хром - немагнітний метал. Спробованість речовини визначається орієнтацією спинів її електронів. Коли спини електронів провідності обох ферромагнітних шарів спрямовані в один бік, шар хрому добре пропускає через себе електричний струм. Але як тільки їх орієнтації стають протилежними, з'являється гігантський опір, і електричний струм практично зникає. Пояснення цього явища було дано на основі квантової механіки, а його використання призвело до появи спінтроніки, нової перспективної галузі електроніки. Багатошарові структури з ефектом гігантського магнітосопротиву назвали спиновими вентилями.
В даний час безліч наукових лабораторій по всьому світу займаються дослідженням спінтроніки, адже вона вже призвела до створення цілого ряду перспективних пристроїв, у тому числі нових пристроїв пам'яті для комп'ютерів. Окремо варто відзначити дослідження з надпровідної спінтроніки, яка дозволяє значно знизити енергоспоживання, що дуже важливо для суперкомп'ютерів, оскільки тепло, що виділяється при протіканні струмів, може вивести їх з ладу.
Тут проблеми пов'язані з тим, що сильне магнітне поле руйнує надпровідність, а надпровідники повністю виштовхують з себе магнітне поле. Звичайні надпровідники і магнітні матеріали майже неможливо змусити «спілкуватися» один з одним через їхнє протилежне впорядкування: магнітне поле вибудовує спини електронів в одному напрямку, в той час як в куперівських парах електронів, що відповідають за надпровідність, спини спрямовані протилежно.
Міжнародна група вчених, до якої входить Наталія Пугач з НДІ ядерної фізики імені Скобельцина МДУ, досліджувала саме надпровідний спиновий вентиль для того, щоб навчитися керувати спинами електронів. Адже той факт, що спин електронів та інших заряджених частинок вкрай складно контролювати, поки залишається головною перешкодою на шляху розвитку нових технологій на основі спинтроніки.
Досліджуваний спиновий вентиль складався з двох шарів ферромагнетика (кобальту), шару надпровідника (ніобій) товщиною близько 150 атомів (50 нм) і шару золота, що являє собою немагнітний матеріал. Мала товщина шарів тут дуже важлива, оскільки в «товстому» надпровіднику ніяких цікавих ефектів видно не буде. Інформацію про те, як поводиться намагніченість у різних шарах зразка, фізики отримували, обстрілюючи експериментальні зразки мюонами і досліджуючи їх розсіювання за позитронами, що утворюються при їх розпаді. Мюон являє собою частинку, схожу на електрон, але в 200 разів важче.
Під час експерименту вчені виявили несподіваний ефект: у тих випадках, коли напрямки намагніченості шарів ферромагнетика були перпендикулярні, взаємодія їх з надпровідником породжувала наведену намагніченість у шарі із золота, «перестрибуючи» через надпровідник. Коли вчені «повертали» намагніченість в один бік, сила поля в золоті зменшувалася в 20 разів і ефект майже повністю пропадав. Керувати ефектом можна також за допомогою температури. Дане явище суперечить існуючим теоретичним моделям надпровідності і ферромагнетизму.
"Цей ефект не був передбачений, ми дуже здивувалися, коли це знайшли, довго намагалися пояснити отримані дані за допомогою іншого розподілу спробованості, яке було передбачене раніше, але дані не сходилися. У нас є деякі припущення, але повноцінного пояснення досі немає. Однак цей ефект дає нам новий спосіб маніпуляції зі спинами ", - прокоментувала відкриття Наталія Пугач. Можливо, на цій основі вдасться створити принципово нові спинтронні елементи.
Результати дослідження опубліковані в престижному журналі Nature Physics.
Схема експерименту _© M. G. Flokstra et al.
За матеріалами Прес-служби НДІ ядерної фізики імені Скобельцина МДУ.