Vortex-mediated spin current injection into two-dimensional superconductor NbSe2
这项研究提供了关于 NbSe2/LAFO 异质结构中涡旋介导自旋电流注入的首个直接实验证据，证明了液相中的涡旋通过反转符号的热电信号作为自旋角动量的有效载体，从而为超导自旋电子器件建立了一条新的路径。
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在现代电子世界中，信息通常由电荷的流动来携带，但存在着一个依赖于另一种属性进行数据传输的平行宇宙：自旋。自旋是电子拥有的内禀角动量形式，就像一个微小的内部指南针，可以指向向上或向下。科学家们长期以来一直梦想着建造利用这种自旋来携带信息的设备，这一领域被称为自旋电子学，因为它有望实现比现有技术更快的速度和更低的能量损耗。然而，一个主要的障碍始终是用于导电的材料。在普通金属中，自旋信息在被扰乱之前只能传输很短的距离。在超导体（一种电阻为零的导电材料）中，问题甚至更加严重。在超导体内部，电子成对结合形成所谓的库珀对（Cooper pairs）。这些电子对将它们的自旋锁定在相反的方向，从而相互抵消，使得电子对本身不携带任何净自旋。几十年来，这意味着除非研究人员能找到打破这一规则的方法或找到完全不同的载体，否则超导体对于基于自旋的信息传输而言是死胡同。
深圳南方科技大学的一个研究小组现在发现了一种通过超导体移动自旋信息的新方法，绕过了电子对本身的限制。他们专注于施加磁场时出现在超导体中的一种特定缺陷，称为涡旋（vortex）。可以将超导体想象成一个平静、冰冻的湖泊，其中的水无法流动。当磁场穿过时，它会在冰层中创造出微小的、旋转的漩涡。这些漩涡就是涡旋。以往的研究重点在于如何阻止这些漩涡移动以保持超导体的效率，但这个团队意识到，如果他们能让这些漩涡以特定的方式移动，就可以让它们携带自旋信息。通过构建一种由两种不同材料组成的“三明治”结构——一个超导晶体和一个磁绝缘体——他们成功地将自旋注入超导体，并观察其通过这些移动的涡旋进行传输。
该实验涉及一层名为二硒化铌的超导体薄片，它被直接放置在一种被称为铝铁氧化锂的磁绝缘体之上。研究人员加热该堆叠结构的其中一侧并冷却另一侧，从而在层间产生了一个垂直方向的温差。在没有磁层的普通超导体中，这种温差会导致涡旋从热端向冷端漂移，从而产生微小的电压。这是一种已知的效应，称为涡旋能斯特效应（vortex Nernst effect）。然而，在带有磁绝缘体的新设置中，发生了一些意想不到的事情。磁层向超导体注入了一股自旋流。研究人员发现，注入的自旋推动涡旋向热驱动流动的完全相反方向移动。结果，移动涡旋产生的电压改变了其符号，变得与对照样本中的观察结果相反。这种符号反转是自旋由涡旋携带的关键特征，证明了磁层成功驱动了这些缺陷的运动。
为了确保这种效应确实来自涡旋而非其他来源，团队仔细绘制了该信号出现的条件图谱。他们发现，只有当磁场足够强，足以将涡旋有序的排列“熔化”成一种可以自由移动的混沌、类液体状态时，该效应才会存在。如果磁场太弱，涡旋就会被卡在原地，不会产生信号。如果温度升高到材料失去超导性的点以上，信号就会完全消失。最后这一观察结果至关重要，因为它排除了信号是由被称为准粒子（quasiparticles）的游离、未配对电子引起的可能性，因为准粒子可以携带自旋，但仅存在于材料非完全超导的状态下。通过证明该效应在超导状态结束时恰好消失，研究人员确认了涡旋本身是自旋信息的唯一载体。
研究结果表明，涡旋不仅是需要被抑制的障碍，更是自旋传输中的积极参与者。研究指出，这些旋转的缺陷可以作为高效的信使，能够在超导体内部相对较长的距离内携带自旋角动量。这一发现为设计超导自旋电子器件开辟了一条新路径，在这种器件中，信息可以以极低的能量损失进行移动。研究人员展示了通过简单地控制温度和磁场，他们就可以引导自旋在材料中的流动。虽然这项工作仍处于证明概念的早期阶段，但它建立了一个明确的机制，说明了如何在超导体中注入和传输自旋，将这些材料中此前被忽视的特性转化为了下一代计算技术的潜在工具。
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