Vortex-mediated spin current injection into two-dimensional superconductor NbSe2

In der Welt der modernen Elektronik wird Information oft durch den Fluss elektrischer Ladung übertragen, doch es gibt ein paralleles Universum der Datenübertragung, das auf einer anderen Eigenschaft beruht: dem Spin. Der Spin ist eine intrinsische Form des Drehimpulses, die Elektronen besitzen, und wirkt wie eine winzige interne Kompassnadel, die nach oben oder unten zeigen kann. Wissenschaftler träumen schon lange davon, Geräte zu bauen, die diesen Spin zur Informationsübertragung nutzen – ein Feld, das als Spintronik bekannt ist, da es schnellere Geschwindigkeiten und weit weniger Energieverlust als die aktuelle Technologie verspricht. Ein großes Hindernis war jedoch stets das Material, das den Strom leitet. In gewöhnlichen Metallen legt die Spin-Information nur eine kurze Strecke zurück, bevor sie gestreut wird. In Supraleitern, Materialien, die Elektrizität mit null Widerstand leiten, ist das Problem sogar noch gravierender. In einem Supraleiter paaren sich Elektronen zu sogenannten Cooper-Paaren zusammen. Diese Paare verriegeln ihre Spins in entgegengesetzte Richtungen, wodurch sie sich gegenseitig aufheben, sodass das Paar keinen Nettospin mehr trägt. Jahrzehntelang bedeutete dies, dass Supraleiter Sackgassen für die spinbasierte Informationsübertragung waren, es sei denn, Forschern fände einen Weg, diese Regel zu brechen oder einen völlig anderen Träger zu finden.

Einem Forscherteam der Southern University of Science and Technology in Shenzhen ist es nun gelungen, einen neuen Weg zu identifizieren, um Spin-Informationen durch einen Supraleiter zu bewegen, indem sie die Einschränkungen der Elektronenpaare selbst umgehen. Sie konzentrierten sich auf eine spezifische Art von Defekt, die in Supraleitern auftritt, wenn ein Magnetfeld angelegt wird, bekannt als Vortex (Wirbel). Stellen Sie sich einen Supraleiter wie einen ruhigen, gefrorenen See vor, in dem das Wasser nicht fließen kann. Wenn ein Magnetfeld hindurchdrückt, erzeugt es winzige, wirbelnde Strudel im Eis. Diese Strudel sind die Vortices. Während sich frühere Studien darauf konzentrierten, diese Wirbel zu stoppen, damit der Supraleiter effizient arbeitet, erkannte dieses Team, dass sie die Spin-Information mit sich führen könnten, wenn man die Wirbel auf eine bestimmte Weise in Bewegung versetzt. Durch die Erstellung eines „Sandwichs“ aus zwei verschiedenen Materialien – einem supraleitenden Kristall und einem magnetischen Isolator – gelang es ihnen, Spin in den Supraleiter zu injizieren und zu beobachten, wie dieser über die beweglichen Vortices transportiert wird.

Das Experiment beinhaltete eine dünne Schicht eines Supraleiters namens Niob-Diselenid, die direkt auf einen magnetischen Isolator namens Lithium-Aluminium-Eisenoxid gelegt wurde. Die Forscher erhitzten eine Seite dieses Stapels und kühlten die andere ab, wodurch ein Temperaturunterschied entstand, der vertikal durch die Schichten verlief. In einem normalen Supraleiter ohne die magnetische Schicht verursacht dieser Temperaturunterschied, dass die Vortices von der heißen zur kalten Seite driften, was eine kleine elektrische Spannung erzeugt. Dies ist ein bekannter Effekt, der als Vortex-Nernst-Effekt bezeichnet wird. In dem neuen Aufbau mit dem magnetischen Isolator geschah jedoch etwas Unerwartetes. Die magnetische Schicht injizierte einen Strom von Spin in den Supraleiter. Die Forscher fanden heraus, dass dieser injizierte Spin die Vortices dazu brachte, sich in genau die entgegengesetzte Richtung des hitzegesteuerten Flusses zu bewegen. Infolgedessen kehrte sich das Vorzeichen der durch die beweglichen Vortices erzeugten elektrischen Spannung um und wurde das Gegenteil dessen, was in den Kontrollproben beobachtet wurde. Diese Vorzeichenumkehr war das entscheidende Merkmal dafür, dass der Spin von den Vortices getragen wurde, was bewies, dass die magnetische Schicht die Bewegung dieser Defekte erfolgreich antrieb.

Um sicherzustellen, dass dieser Effekt tatsächlich von den Vortices stammt und nicht von einer anderen Quelle, kartierte das Team sorgfältig die Bedingungen, unter denen das Signal auftrat. Sie entdeckten, dass der Effekt nur existierte, wenn das Magnetfeld stark genug war, um die geordnete Anordnung der Vortices in einen chaotischen, flüssigkeitsähnlichen Zustand aufzuschmelzen, in dem sie sich frei bewegen konnten. Wenn das Magnetfeld zu schwach war, steckten die Vortices fest und es trat kein Signal auf. Wenn die Temperatur über den Punkt angehoben wurde, an dem das Material supraleitend wurde, verschwand das Signal vollständig. Diese letzte Beobachtung war entscheidend, da sie die Möglichkeit ausschloss, dass das Signal durch lose, ungepaarte Elektronen – sogenannte Quasiteilchen – verursacht wurde, die zwar Spin tragen können, aber nur existieren, wenn das Material nicht vollständig supraleitend ist. Durch den Nachweis, dass der Effekt exakt dann verschwand, wenn der supraleitende Zustand endete, bestätigten die Forscher, dass die Vortices selbst die alleinigen Träger der Spin-Informationen waren.

Die Ergebnisse legen nahe, dass Vortices nicht bloß Hindernisse sind, die unterdrückt werden müssen, sondern aktive Teilnehmer am Spin-Transport. Die Studie deutet darauf hin, dass diese wirbelnden Defekte als hocheffiziente Boten fungieren können, die in der Lage sind, Spin-Drehimpuls über relativ lange Distanzen innerhalb eines Supraleiters zu transportieren. Diese Entdeckung eröffnet einen neuen Weg für das Design supraleitender spintronischer Bauteile, bei denen Informationen mit minimalem Energieverlust bewegt werden könnten. Die Forscher demonstrierten, dass sie durch die einfache Kontrolle von Temperatur und Magnetfeld den Fluss des Spins durch das Material lenken konnten. Obwohl sich die Arbeit noch in einem frühen Stadium der Konzeptbewahrung befindet, etabliert sie einen klaren Mechanismus dafür, wie Spin injiziert und in einem Supraleiter transportiert werden kann, und verwandelt so ein bisher übersehenes Merkmal dieser Materialien in ein potenzielles Werkzeug für die nächste Generation der Computertechnologie.