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

Nel mondo dell'elettronica moderna, l'informazione è spesso trasportata dal flusso di carica elettrica, ma esiste un universo parallelo di trasmissione dei dati che si affida a una proprietà diversa: lo spin. Lo spin è una forma intrinseca di momento angolare posseduta dagli elettroni, che agisce come una minuscola bussola interna capace di puntare verso l'alto o verso il basso. Gli scienziati sognano da tempo di costruire dispositivi che utilizzino questo spin per trasportare informazioni, un campo noto come spintronica, poiché promette velocità maggiori e un dispendio energetico molto inferiore rispetto alla tecnologia attuale. Tuttavia, un grande ostacolo è sempre stato il materiale utilizzato per condurre l'elettricità. Nei metalli ordinari, l'informazione di spin viaggia solo per una breve distanza prima di essere rimescolata. Nei superconduttori, materiali che conducono elettricità con resistenza zero, il problema è ancora più grave. All'interno di un superconduttore, gli elettroni si accoppiano per formare quelli che vengono chiamati accoppiamenti di Cooper. Questi accoppiamenti bloccano i propri spin in direzioni opposte, annullandosi a vicenda in modo che la coppia non trasporti alcuno spin netto. Per decenni, ciò ha significato che i superconduttori fossero dei vicoli ciechi per l'informazione basata sullo spin, a meno che i ricercatori non trovassero un modo per rompere questa regola o un trasportatore completamente diverso.

Un team di ricercatori della Southern University of Science and Technology di Shenzhen ha ora identificato un nuovo modo per muovere l'informazione di spin attraverso un superconduttore, aggirando i limiti dei singoli accoppiamenti elettronici. Si sono concentrati su un tipo specifico di difetto che appare nei superconduttori quando viene applicato un campo magnetico, noto come vortice. Immaginate un superconduttore come un lago calmo e ghiacciato dove l'acqua non può fluire. Quando un campo magnetico preme attraverso di esso, crea minuscoli vortici rotanti nel ghiaccio. Questi vortici sono i vortici. Mentre gli studi precedenti si concentravano su come impedire a questi vortici di muoversi per mantenere efficiente il superconduttore, questo team ha capito che, se avessero potuto far muovere i vortici in un modo specifico, avrebbero potuto trasportare l'informazione di spin con essi. Creando un "sandwich" di due materiali diversi — un cristallo superconduttore e un isolante magnetico — sono riusciti a iniettare spin nel superconduttore e a osservarlo viaggiare attraverso questi vortici in movimento.

L'esperimento ha coinvolto un sottile foglio di un superconduttore chiamato diselenuro di niobio, che è stato posizionato direttamente sopra un isolante magnetico noto come ossido di litio alluminio ferro. I ricercatori hanno riscaldato un lato di questa pila e raffreddato l'altro, creando una differenza di temperatura che scorreva verticalmente attraverso gli strati. In un normale superconduttore senza lo strato magnetico, questa differenza di temperatura causa il trascinamento dei vortici dal lato caldo al lato freddo, generando una piccola tensione elettrica. Questo è un effetto noto come effetto Nernst dei vortici. Tuttavia, nella nuova configurazione con l'isolante magnetico, è accaduto qualcosa di inaspettato. Lo strato magnetico ha iniettato un flusso di spin nel superconduttore. I ricercatori hanno scoperto che questo spin iniettato ha spinto i vortici a muoversi esattamente nella direzione opposta al flusso guidato dal calore. Di conseguenza, la tensione elettrica generata dai vortici in movimento ha invertito il proprio segno, diventando l'opposto di quanto visto nei campioni di controllo. Questa inversione di segno è stata la chiave di lettura che ha confermato che lo spin era trasportato dai vortici, provando che lo strato magnetico stava guidando con successo il movimento di questi difetti.

Per essere certi che questo effetto derivasse realmente dai vortici e non da qualche altra fonte, il team ha mappato attentamente le condizioni in cui il segnale appariva. Hanno scoperto che l'effetto esisteva solo quando il campo magnetico era abbastanza forte da sciogliere la disposizione ordinata dei vortici in uno stato liquido caotico in cui potevano muoversi liberamente. Se il campo magnetico era troppo debole, i vortici rimanevano bloccati sul posto e nessun segnale appariva. Se la temperatura veniva alzata sopra il punto in cui il materiale diventava un superconduttore, il segnale svaniva completamente. Quest'ultima osservazione è stata cruciale perché ha escluso la possibilità che il segnale fosse causato da elettroni liberi e non accoppiati, noti come quasiparticelle, che possono trasportare spin ma esistono solo quando il materiale non è pienamente superconduttore. Mostrando che l'effetto scompariva esattamente quando terminava lo stato superconduttore, i ricercatori hanno confermato che i vortici stessi erano gli unici vettori dell'informazione di spin.

Le scoperte suggeriscono che i vortici non siano solo ostacoli da sopprimere, ma partecipanti attivi nel trasporto di spin. Lo studio indica che questi difetti rotanti possono agire come messaggeri altamente efficienti, capaci di trasportare il momento angolare di spin su distanze relativamente lunghe all'interno di un superconduttore. Questa scoperta apre una nuova strada per la progettazione di dispositivi spintronici superconduttori, dove l'informazione potrebbe essere spostata con una perdita minima di energia. I ricercatori hanno dimostrato che, semplicemente controllando la temperatura e il campo magnetico, potevano dirigere il flusso di spin attraverso il materiale. Sebbene il lavoro sia ancora nelle fasi iniziali di prova del concetto, esso stabilisce un meccano chiaro su come lo spin possa essere iniettato e trasportato in un superconduttore, trasformando una caratteristica precedentemente trascurata di questi materiali in uno strumento potenziale per la prossima generazione di tecnologie informatiche.