Российские ученые разработали модель сверхпроводящего спинового вентиля, способного работать в трех режимах

Сверхпроводящая спинтроника — это отдельное направление спинтроники, которое объединяет управление спином электрона с возможностью проводить ток без сопротивления. Такие подходы могут лечь в основу энергоэффективной памяти, логических элементов, сенсоров и новых компонентов для квантовых технологий. Для этого направления особенно важны два класса материалов: сверхпроводники, которые при определенных условиях проводят ток без сопротивления, и ферромагнетики — материалы с собственной намагниченностью, влияющие на спиновые состояния электронов.

Устройства, основанные на сверхпроводящей спинтронике, имеют существенное ограничение: режим их работы жестко задается свойствами материалов, размерами слоев и геометрией структуры. После изготовления изменить режим работы такого устройства сложно — для этого часто требуется создавать новый образец.

Исследователи из МФТИ показали, что это ограничение можно обойти. Они разработали теоретическую модель сверхпроводящего спинового вентиля на основе вандерваальсовой гетероструктуры. Работа опубликована в журнале Physical Review B. Исследование поддержано Российским научным фондом (проект № 24-12-00152 и Министерством науки и высшего образования РФ (грант № 075-15-2025-010).

Такое устройство состоит из сверхпроводящего монослоя, расположенного между двумя ферромагнитными монослоями (F/S/F). Сверхпроводимость в этой структуре зависит от взаимной ориентации намагниченности в ферромагнитных слоях: при одних ориентациях она подавляется сильнее, при других слабее. Поэтому спиновый вентиль работает как переключатель сверхпроводящего состояния. Он называется «спиновым», потому что намагниченность ферромагнетиков связана с упорядочением спинов электронов — их фундаментального квантового свойства, которое можно представить как собственный магнитный момент частицы. Если к верхнему и нижнему ферромагнитным слоям приложить затворное напряжение, можно менять их электронные свойства, то есть химические потенциалы. Так становится возможным переключать режим работы всего вентиля: в разных режимах сверхпроводимость подавляется по-разному.

«Наша цель состояла в том, чтобы создать универсальную и электрически управляемую платформу для сверхпроводящей спинтроники. Мы хотели теоретически показать, что с помощью одного спинового вентиля, состоящего из нескольких монослоев, можно переключать режимы работы. И делается это простым приложением напряжения к затвору»,— поделилась Ирина Бобкова, заведующая лабораторией спиновых явлений в сверхпроводниковых наноструктурах и устройствах Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ.

В обычных гетероструктурах ферромагнетик / сверхпроводник / ферромагнетик (F/S/F) режим спинового вентиля обычно задан параметрами материала и его геометрией. В таких системах возможны три основных типа спин-вентильного эффекта. В стандартном режиме сверхпроводимость сильнее подавляется при параллельной ориентации намагниченностей магнитных слоев. В инверсном режиме, наоборот, подавление сильнее, когда намагниченности направлены противоположно. В триплетном (немонотонном) режиме сверхпроводимость зависит от угла между намагниченностями нелинейно, минимумом которой возникает при взаимно перпендикулярной ориентации. При этой конфигурации формируются особые триплетные сверхпроводящие корреляции, которые дополнительно подавляют сверхпроводимость. Вандерваальсовы материалы позволяют управлять свойствами структуры уже после ее создания, используя напряжение на затворах.

Механизм переключения связан с тем, как электронные состояния ферромагнитных слоев гибридизуются со сверхпроводящим слоем. Ферромагнетики индуцируют в сверхпроводнике эффективное обменное поле, которое может подавлять сверхпроводимость. Однако сила и даже знак этого поля зависят от того, насколько близки энергии электронов в ферромагнетике и сверхпроводнике. Взаимодействие между слоями усиливается, если эти энергии близки. Когда напряжение на затворе меняет химический потенциал ферромагнитного слоя, энергетические уровни сдвигаются. В результате эффективные поля от двух ферромагнитных слоев могут либо складываться, либо частично компенсировать друг друга. Именно это позволяет переключать стандартный и инверсный режимы.

Сначала физтехи описали взаимодействие электронов в каждом слое гетероструктуры и между слоями. Затем они смоделировали, как меняется сверхпроводимость при разных взаимных ориентациях намагниченностей ферромагнитных слоев: параллельной, антипараллельной и неколлинеарной, то есть ориентации под произвольным углом. После этого исследователи изменяли химические потенциалы ферромагнитных слоев, то есть имитировали действие затворов, и фиксировали, какой режим возникает.

Ученые построили фазовые диаграммы: перебирали разные значения затворного напряжения для двух ферромагнитных слоев и отмечали области, где реализуется стандартный, инверсный или триплетный эффект. Также они рассчитали температурные зависимости сверхпроводящего параметра порядка, чтобы выявить обычные и необычные режимы сверхпроводимости.

Таким образом теоретически была доказана возможность непрерывного электрического переключения структуры называемой «сверхпроводящий спиновой вентиль» между тремя типами сверхпроводимости. Иными словами, одна гетероструктура может работать как несколько разных устройств в зависимости от приложенного напряжения.

«Мы считаем, что ключевым результатом является демонстрация того, что переключение достигается за счет изменения химического потенциала, то есть энергии электронов в ферромагнитных слоях, с помощью внешнего напряжения. Кроме того, мы обнаружили богатое разнообразие нетривиальных температурных зависимостей сверхпроводящего параметра порядка, которые также управляются затвором»,— пояснила Ирина Бобкова.

Оказалось, что затворное управление открывает доступ не только к разным спин-вентильным режимам, но и к более экзотическим состояниям сверхпроводимости. Вблизи параметров, при которых гибридизация между слоями максимальна, возникают возвратная сверхпроводимость, бистабильные состояния и фазовые переходы первого рода. В некоторых случаях сверхпроводящее состояние может существовать только в конечном интервале температур — поведение, резко отличающееся от привычной картины постепенного исчезновения сверхпроводимости при нагреве.

Несмотря на то что исследование теоретическое, его экспериментальная проверка, как отмечают авторы, вполне реалистична. Уже известны двумерные ферромагнетики, такие как Fe₃GeTe₂ и VSe₂, а также двумерные сверхпроводники, включая NbSe₂ и MoS₂. Современные методы позволяют собирать вандерваальсовы гетероструктуры слой за слоем, а электростатическое управление химическим потенциалом давно стало стандартным инструментом в физике двумерных материалов.

Потенциальные приложения предложенной гетероструктуры лежат в нескольких направлениях. В сверхпроводящей спинтронике это могут быть энергоэффективные элементы памяти и логики, где состояние устройства переключается напряжением, а не магнитным полем. В квантовых технологиях электрическое управление сверхпроводящим параметром порядка может быть полезно для создания перестраиваемых сверхпроводящих кубитов. Еще одно возможное направление — сверхчувствительные сенсоры и детекторы, использующие резкое появление или исчезновение сверхпроводимости при небольшом изменении напряжения.