Phase-controlled perfect nonlocal spin and charge diode effects in a four-terminal Josephson junction with $p$-wave magnets

In de wereld van de moderne elektronica is het beheersen van de richting van elektriciteit fundamenteel. Net zoals een eenrichtingsweg verkeersopstoppingen voorkomt door auto's te dwingen in slechts één richting te rijden, zorgen elektronische componenten genaamd diodes ervoor dat elektrische stroom gemakkelijk in de ene richting stroomt, maar in de andere wordt geblokkeerd. Dit vermogen om te gelijkrichten, of de stroom van lading recht te trekken, is de ruggengraat van alles van eenvoudige voedingen tot complexe computerchips. Decennialang heeft deze controle vertrouwd op het dissiperen van energie als warmte, een proces dat afval genereert en de efficiëntie beperkt. Echter, een nieuwere grens in de fysica onderzoekt hoe men dezezelfde directionele controle kan bereiken met behulp van supergeleiders — materialen die elektriciteit geleiden met absoluut nul weerstand en zonder energieverlies. Hoewel wetenschappers onlangs manieren hebben ontdekt om supergeleidende stromen te laten gedragen als eenrichtingsverkeer voor elektrische lading, is een meer ongrijpbaar doel een even grote uitdaging gebleven: het creëren van een vergelijkbaar eenrichtingseffect voor spin. Spin is een intrinsieke eigenschap van elektronen, vaak gevisualiseerd als een klein intern magneetje, en het manipuleren van de stroom van deze spin zonder energie te verliezen, is een heilige graal voor een vakgebied dat bekend staat als spintronica, dat zich richt op het bouwen van snellere, efficiëntere apparaten.

Een team van onderzoekers heeft nu theoretisch gedemonstreerd hoe men deze perfecte, verliesvrije controle over zowel elektrische lading als elektronspin in één enkel apparaat kan creëren. Ze stelden een specifieke rangschikking van materialen voor, in essentie een kruisvormige junctie waar vier verschillende supergeleidende leads samenkomen bij een centrale barrière. Twee van deze leads zijn gemaakt van een speciaal type magnetisch materiaal dat een supergeleidende staat heeft gekregen, terwijl de andere twee leads zijn gemaakt van een ander soort supergeleider die van nature een specifie of type magnetische uitlijning draagt. Door de kwantummechanische fasen — denk aan de timing of het ritme van de elektronengolven — tussen deze verschillende armen zorgvuldig aan te passen, ontdekten de onderzoekers dat ze het apparaat konden dwingen te fungeren als een perfecte diode. In deze opstelling laat het apparaat een stroom van spin of lading in één richting toe met 100% efficiëntie, terwijl het diezelfde stroom volledig blokkeert als de richting wordt omgekeerd. Opmerkelijk genoeg kan dit perfecte blokkerings- en doorlaatgedrag worden in- en uitgeschakeld, of zelfs worden omgekeerd, simpelweg door een knop op een spanningspoort te draaien of door de kristalstructuur van het magnetische materiaal te roteren.

Het apparaat dat de onderzoekers hebben gemodelleerd, bestaat uit een centrale regio van normaal metaal, die fungeert als een barrière die vier semi-oneindige armen verbindt. De linker- en rechterarm bestaan uit een magnetisch materiaal met een specifieke interne structuur, bekend als een p-golf magneet, die in contact is gebracht met een conventionele supergeleider om een supergeleidende staat op te wekken. De boven- en onderarm zijn gemaakt van een ander supergeleidend materiaal dat van nature een unieke magnetische uitlijning bezit, de zogenaamde triplet-toestand. Toen de onderzoekers de stroom van elektronen door deze kruisvormige structuur simuleerden, ontdekten ze dat het gedrag van de stroom volledig afhankelijk was van het relatieve tijdsverschil, of de faseverschillen, tussen de supergeleidende golven in de verschillende armen. Wanneer het tijdsverschil tussen de boven- en onderarm op nul werd ingesteld, fungeerde het apparaat als een perfecte diode voor spin, maar liet het lading in beide richtingen gelijkmatig doorstromen. In deze staat produceerde het apparaat een zuivere stroom van spin die slechts in één richting stroomde, ongeacht hoe de onderzoekers probeerden het de andere kant op te duwen.

De situatie werd nog interessanter toen de onderzoekers een eindig tijdsverschil introduceerden tussen de boven- en onderarm. In deze configuratie werd het apparaat gelijktijdig een perfecte diode voor zowel spin als lading. Dit betekent dat het apparaat zo kan worden gemaakt dat het elektriciteit en spin in één richting geleidt, terwijl het in de omgekeerde richting fungeert als een volledige isolator, allemaal zonder enig energieverlies. De onderzoekers ontdekten dat de richting van deze eenrichtingsstroom met extreme precisie kon worden gecontroleerd. Door de spanning aan te passen die op de centrale metalen barrière wordt toegepast, konden zij de richting van de spinstroom omdraaien, waardoor het apparaat versprong van het perfect één kant op stromen naar het perfect de andere kant op stromen. Deze overgang gebeurde bijna onmiddellijk, zoals het omzetten van een lichtschakelaar, in plaats van geleidelijk te vervagen. Op dezelfde manier konden zij, door de interne kristaloriëntatie van de magnetische armen te roteren, ook de richting van de stroom omkeren. Deze dubbele controle, gebruikmakend van zowel elektrische spanning als fysieke oriëntatie, biedt een krachtige manier om het apparaat af te stemmen op specifieke behoeften.

Om te garanderen dat deze bevindingen niet slechts een toevalstreffer waren van perfecte, geïdealiseerde omstandigheden, testten de onderzoekers de robuustheid van hun ontwerp tegen diverse reële imperfecties. Ze simuleerden scenario's waarin de verbindingen tussen de verschillende onderdelen van het apparaat niet perfect gelijkwaardig waren, waar de materialen willekeurige onzuiverheden bevatten, en waar de temperatuur werd verhoogd. Ze varieerden ook de sterkte van de supergeleidende eigenschappen en de fysieke grootte van de junctie. In elk geval bleef het perfecte eenrichtingsgedrag intact. Het apparaat bleef stroom in de ene richting blokkeren en in de andere richting doorlaten met 100% efficiëntie, zelfs wanneer de parameters aanzienlijk werden gewijzigd. Dit suggereert dat het effect een fundamentele eigenschap is van deze specifieke rangschikking van materialen en niet afhankelijk is van het tot in de perfectie afstemmen van elk detail. De onderzoekers concludeerden dat deze vier-terminale junctie een zeer stabiel en regelbaar platform biedt voor het creëren van apparaten die spin en lading kunnen manipuleren zonder energie te verspillen, wat de weg vrijmaakt voor nieuwe soorten supergeleidende elektronica die de manier waarop we informatie verwerken, zouden kunnen revolutioneren.