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

In de wereld van de moderne elektronica wordt informatie vaak gedragen door de stroom van elektrische lading, maar er bestaat een parallel universum van dataoverdracht dat vertrouwt op een andere eigenschap: spin. Spin is een intrinsieke vorm van impulsmoment die elektronen bezitten, werkend als een klein intern kompasnaaldje dat omhoog of omlaag kan wijzen. Wetenschappers dromen al lang van het bouwen van apparaten die deze spin gebruiken om informatie te dragen, een veld dat bekend staat als spintronica, omdat het snellere snelheden en veel minder energieverlies belooft dan de huidige technologie. Echter, een grote hindernis is altijd geweest het materiaal dat elektriciteit geleidt. In gewone metalen reist spininformatie slechts een korte afstand voordat deze verstoord raakt. In supergeleiders, materialen die elektriciteit geleiden met nul weerstand, is het probleem zelfs nog ernstiger. Binnen een supergeleider vormen elektronen paren om zogenaamde Cooper-paren te vormen. Deze paren vergrendelen hun spins in tegengestelde richtingen, waardoor ze elkaar opheffen, zodat het paar geen netto spin meer draagt. Decennialang betekende dit dat supergeleiders doodlopende wegen waren voor spin-gebaseerde informatie, tenzij onderzoekers een manier konden vinden om deze regel te breken of een andere drager konden vinden.

Een team van onderzoekers aan de Southern University of Science and Technology in Shenzhen heeft nu een nieuwe manier geïdentificeerd om spininformatie door een supergeleider te bewegen, waarbij de beperkingen van de elektronparen zelf worden omzeild. Ze richtten zich op een specifiek type defect dat in supergeleiders verschijnt wanneer een magnetisch veld wordt toegepast, bekend als een vortex. Stel je een supergeleider voor als een kalm, bevroren meer waar het water niet kan stromen. Wanneer een magnetisch veld erdoorheen duwt, creëert het kleine, kolkende draaikolken in het ijs. Deze draaikolken zijn de vortices. Terwijl eerdere studies zich concentreerden op hoe deze draaikolken te stoppen met bewegen om de supergeleider efficiënt te houden, realiseerde dit team zich dat als ze de draaikolken op een specifieke manier zouden laten bewegen, ze spininformatie met zich mee konden dragen. Door een sandwich te creëren van twee verschillende materialen — een supergeleidend kristal en een magnetische isolator — slaagden ze erin spin in de supergeleider te injecteren en te observeren hoe het via deze bewegende vortices reisde.

Het experiment omvatte een dunne laag van een supergeleider genaamd niobiumdiselenide, die direct bovenop een magnetische isolator werd geplaatst die bekend staat als lithiumaluminiumijzeroxide. De onderzoekers verwarmden één kant van deze stapel en koelden de andere kant af, waardoor een temperatuurverschil ontstond dat verticaal door de lagen liep. In een normale supergeleider zonder de magnetische laag veroorzaakt dit temperatuurverschil dat de vortices van de warme kant naar de koude kant drijven, wat een kleine elektrische spanning genereert. Dit is een bekend effect, het vortex-Nernst-effect genoemd. Echter, in de nieuwe opstelling met de magnetische isolator gebeurde er iets onverwachts. De magnetische laag injecteerde een stroom van spin in de supergeleider. De onderzoekers ontdekten dat deze geïnjecteerde spin de vortices ertoe dwong om in exact de tegenovergestelde richting te bewegen van de door hitte gedreven stroom. Als gevolg hiervan keerde de elektrische spanning gegenereerd door de bewegende vortices van teken, wat het tegenovergestelde was van wat werd gezien in de controlemateriaalmonsters. Deze tekenomkering was de cruciale handtekening dat spin werd gedragen door de vortices, wat bewees dat de magnetische laag de beweging van deze defecten succesvol aanstuurde.

Om er zeker van te zijn dat dit effect echt van de vortices kwam en niet van een andere bron, bracht het team zorgvuldig de omstandigheden in kaart waaronder het signaal verscheen. Ze ontdekten dat het effect alleen bestond wanneer het magnetische veld sterk genoeg was om de ordelijke ordening van vortices te doen smelten in een chaotische, vloeistofachtige staat waarin ze vrij kunnen bewegen. Als het magnetische veld te zwak was, zaten de vortices vast op hun plaats en verscheen er geen signaal. Als de temperatuur werd verhoogd boven het punt waarop het materiaal een supergeleider werd, verdween het signaal volledig. Deze laatste observatie was cruciaal omdat het de mogelijkheid uitsloot dat het signaal werd veroorzaakt door losse, ongepaarde elektronen, bekend als quasipartikels, die wel spin kunnen dragen maar alleen bestaan wanneer het materiaal niet volledig supergeleidend is. Door aan te tonen dat het effect precies verdween wanneer de supergeleidende staat eindigde, bevestigden de onderzoekers dat de vortices zelf de enige dragers van de spininformatie waren.

De bevindingen suggeren dat vortices niet slechts obstakels zijn die onderdrukt moeten worden, maar actieve deelnemers aan spin-transport. De studie geeft aan dat deze kolkende defecten kunnen fungeren als zeer efficiënte boodschappers, in staat om spin-impulsmoment over relatief lange afstanden binnen een supergeleider te dragen. Deze ontdekking opent een nieuwe weg voor het ontwerpen van supergeleidende spintronica-apparaten, waarbij informatie met minimale energieverlies kan worden verplaatst. De onderzoekers toonden aan dat ze, door simpelweg de temperatuur en het magnetische veld te controleren, de stroom van spin door het materiaal konden sturen. Hoewel het werk nog in de vroege stadia van het bewijzen van het concept zit, vestigt het een duidelijk mechanisme voor hoe spin geïnjecteerd en getransporteerd kan worden in een supergeleider, waarbij een voorheen over het hoofd gezien kenmerk van deze materialen wordt omgevormd tot een potentieel instrument voor de volgende generatie computertechnologie.