Ученые ДВФУ вместе с зарубежными коллегами открыли физический эффект для электроники будущего
Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) совместно с зарубежными коллегами открыли бесполевой сверхпроводниковый диодный эффект (СДЭ) в тонкопленочных многослойных системах на основе стека «сверхпроводник/ферромагнетик». Данный эффект может быть использован для создания энергонезависимых запоминающих устройств и энергоэффективных логических элементов, работающих в том числе при температурах, близких к абсолютному нулю. Подобная электроника имеет высокие перспективы использования в космическом оборудовании.
Обычные полупроводниковые диоды пропускают ток только в одном направлении (диодный эффект) и используются в основном для выпрямления — преобразования переменного тока в постоянный. С помощью диодов также реализуются логические операции «И» и «ИЛИ». Полупроводниковые диоды обладают электрическим сопротивлением, которое растет с уменьшением температуры и приводит к сильным потерям энергии. Для решения этой проблемы применяются сверхпроводники с нулевым электрическим сопротивлением и проводятся исследования сверхпроводящих диодов, которые имеют нулевое электрическое сопротивление только в определенном направлении тока. Предыдущие исследования показали, что для работы сверхпроводящих диодов необходимо внешнее магнитное поле, что затрудняет их практическое применение.
Ученые из ДВФУ совместно с группой профессора Теруо Оно из Киотского университета предложили использовать нарушение зеркальной симметрии относительно пространственной инверсии при создании сверхпроводящего диода. Для этого в многослойную систему на основе ниобия (Nb) и ванадия (V), играющих роль сверхпроводящей среды, был введен слой ферромагнетика — кобальта (Co) толщиной 1,7 нм (см. Рис.). Полученная магнетронным напылением многослойная пленка подвергалась микрообработке для формирования микропроволоки, к которой методом фотолитографии были сформированы и подведены контакты для измерения электрического сопротивления. В ходе эксперимента внешнее магнитное поле прикладывалось в плоскости многослойной пленки в направлении, ортогональном току, и использовалось для управления направлением намагниченности слоя Co. Такая геометрия позволила исследовать зависимость электрического сопротивления от постоянного тока при изменении магнитного состояния ферромагнетика
В результате в сверхрешетке Nb/V/Co/V/Ta сосуществуют не только сверхпроводимость и ферромагнетизм, но и есть возможность контролировать плотность тока, протекающего через микропроволоку, изменяя направление намагниченности слоя Co и полярность приложенного тока. Это позволило ученым продемонстрировать сверхпроводниковый диодный эффект в состоянии, когда нет внешних воздействий магнитным полем. При этом контролировать направление СДЭ можно с помощью изменения направления намагниченности слоя ферромагнетика.
Как сообщили в лаборатории спин-орбитроники ДВФУ, предложенный в статье метод нарушения симметрии сверхрешеток универсален и управляем, что дает основания для разработки и изучения новых материалов с высоким потенциалом практического использования в электронике и электротехнике. Однако микроскопический механизм, с помощью которого СДЭ управляется магнетизмом, все еще неясен, и ожидается, что в будущем он будет установлен как экспериментальными, так и теоретическими подходами.
Решаемые в лаборатории задачи полностью соответствуют задачам стратегического направления развития ДВФУ «Физика и материаловедение» в рамках программы «Приоритет 2030». Результаты исследования опубликованы в одном из престижных научных изданий мира — Nature Nanotechnology.
Фото: Пресс-служба ДВФУ