Supraledande spinntronik med halv-metalliska ferromagneter

Inom forskning och utveckling av ny elektronik strävar vi ständigt att finna nya sätt att öka hastigheten samt att reducera strömförbrukningen hos komponenterna. Det kan göras t.ex. genom att minska storleken på komponenterna, använda nya material eller genom att utveckla nya kretsarkitekturer. Mycket kraft har lagts det senaste årtiondet på att förstå hur man skulle kunna använda kvantmekaniska effekter som en resurs istället för att oroa sig för vad som kommer att hända när "vanlig" halvledarelektronik har krympt ner till nano-meter eller atom-storlek. Inom ett forskningsspår försöker man finna sätt att använda sig av att elektronerna har ett kvanttal kallat spinn, som tar de två möjliga värdena upp och ned. Genom manipulationer av elektronernas spinn vill man t.ex. kunna styra en komponents elektriska egenskaper. Denna typ av elektronik heter spinntronik. Ett flertal tillämpningar har förutsetts där spinntronik kan ha fördelar, t.ex. magnetiska minnen samt sensorer som mäter magnetfält. Ett fåtal s.k. halvmetalliska ferromagneter uppvisar 100% spinnpolarisering, vilket är mycket användbart t.ex. som spinnbatterier. Inom ett annat spår utforskar man de supraledande egenskaper som metaller har vid mycket låga temperaturer, ca. 5 till 10 grader över den absoluta nollpunkten. Här ser man kvantmekaniska egenskaper på en mycket lång längdskala, den supraledande koherenslängden, som kan vara längre än 100 nanometer lång. De ökade fabrikationsmöjligheter som uppnåtts har gjort det möjligt att studera kombinerade heterostrukturer av både supraledande och magnetiska material. Man har använt sig av supraledare för att mäta spinnpolariseringen hos ferromagnetiska material och man har byggt supraledande elektronik där den supraledande fasskillnaden över en Josephson övergång med ett ferromagnetiskt mellanlager kan på ett kontrollerbart sätt skiftas från noll till pi. Genom att använda sig av de högtemperatursupraledande keramerna kan arbetstemperaturen höjas till över 77 Kelvin (kokpunkten hos flytande kväve). När supraledande och magnetiska material kontakteras uppstår ett gränsskikt där de två typerna av ordning måste samsas. De supraledande korrelationerna beskrivs i termer av Cooper parning av två elektroner med motsatta spinn. Å andra sidan, i en ferromagnet, tenderar elektronernas spinn att linjeras upp. Således försvagas både de supraledande och magnetiska egenskaperna nära gränsskiktet, samtidigt som dessa typer av ordning "läcker" in i materialet på andra sidan. Slutprodukterna av denna typ av växelverkan har studerats intensivt de senaste åren. Nyligen upptäcktes att en ny typ av supraledande tillstånd formas vid ytor mellan supraledare och halvmetaller. Spinnaktiv spridning i gränsskiktet leder till bildandet av en exotisk form av Cooper par där elektronerna har samma spinn, s.k. spinn-triplett Cooper par. Dessa är exotiska, då de har udda symmetri med avseende på frekvens. Sådana Cooper par kan ta sig in i halvmetallen och leder således superström, en spinn-polariserad superström. De teoretiska studierna av dessa fenomen har till stor del fokusserats på jämviktsegenskaper. I labbet däremot är det naturligt att studera icke-jämviktsegenskaper såsom ström-spännings-karaktäristiken. Tyvärr är mycket mindre kännt från en teoretisk synvinkel om dessa transportegenskaper. Möjligen på grund av att en sådan beskrivelse är ganska komplicerad och att numeriska beräkningar ofta måste användas för att uppnå kvantitativa resultat. Sådana uträkningar inom den kvantmekaniska beskrivningen ligger vid dagens forskningsfront. Min forskning syftar till att bygga upp ett teoretiskt ramverk inom vilket man i detalj kan beskriva kvantmekaniskt elektrontransport genom nanometerstora komponenter bestående av supraledare och ferromagneter. Inom ramverket måste ett flertal fysikaliska effekter beskrivas, såsom tävlan mellan de två typerna av ordning, den självkonsistenta kopplingen mellan spektralfunktioner och fördelningsfunktioner, samt laddningsackumulation och spinnackumulation som sker nära gränsskiktet. Dessa effekter har tidigare ofta försummats i den teoretiska beskrivningen, medan experimentellt ser man ofta tecken på att de har stora betydelser. En god teoretisk förståelse är av stor betydelse när nya komponenter ska utvecklas och byggas i labbet. Samtidigt kan studier av nanostrukturer uppdaga effekter av elektronkorrelationer i kondenserad materia från nya vinklar.

Startdatum 2011-10-10
Slutdatum Projektet är avslutat: 2013-12-31

Publicerad: to 31 maj 2018.