Um impulso para a lógica supercondutora (A Boost for Superconducting Logic)

Figura 1: Nas válvulas supercondutoras de spin projetadas por Aarts e colaboradores, o alinhamento relativo dos dois ferromagnets (CrO₂, em roxo; Ni, em laranja) determina a temperatura de transição (T_C) de uma camada supercondutora (MoGe, em cinza). (Superior) Quando as magnetizações são paralelas (ou antiparalelas), apenas pares de elétrons com spins antiparalelos ("pares singletos") podem vazar para a camada de Ni, e estes pares não podem entrar no CrO₂ porque este material é totalmente spin polarizado. (Inferior) Quando as magnetizações estão desalinhadas, pares singletos podem se transformar em pares tripletos de spin iguais, que podem, por sua vez, vazar no CrO₂. Esta fuga adicional suprime a supercondutividade ainda mais, e reduz a T_C. A supressão é maior quando o ângulo de desalinhamento é 90∘.

Uma nova escolha de materiais leva a mais válvulas supercondutoras de spin úteis

O componente chave de memórias magnéticas e sensores é um dispositivo chamado válvula de spin, cuja resistência elétrica depende do alinhamento relativo das magnetizações de dois elementos ferromagnéticos finos. Os pesquisadores estão interessados ​​em desenvolver análogos supercondutores da válvula de spin para usar em tecnologias de "memória" criogênica que consomem pouca energia e dissipam pouco calor. Nesse caso, alterar o alinhamento relativo dos dois ferromagnetos desloca a temperatura de transição (T_C) de uma fina camada supercondutora adjacente, um efeito que pode ser usado para ligar o estado supercondutor (ou desligar) e reduzir (ou aumentar) a resistência total do dispositivo. Porém, até agora, os deslocamentos da T_C observados nos ensaios são muito pequenos para o uso prático. Jan Aarts e seus colegas da Universidade de Leiden, na Holanda, demonstram válvulas supercondutoras de spin com alterações da T_C por quase 1K [1], uma ordem de magnitude maior em comparação com os regimes anteriores.

        Nos metais ferromagnéticos, um exchange no campo interno gera um desequilíbrio no número de elétrons com spin "up" e "down". Uma corrente elétrica que passa através de um ferromagneto irá, por conseguinte, transportar uma corrente de spin, em adição à carga, com a maioria dos spins apontando paralelo à magnetização e a minoria apontando antiparalelo. Tais correntes spin-polarizadas são utilizadas em aplicações de lógica e de sensores. Encontrar maneiras eficientes e práticas para gerar e controlar tais correntes é um dos principais objetivos da spintrônica.

        O dispositivo mais famoso da spintrônica é a válvula de spin. Na sua forma mais simples, a válvula de spin é uma multicamada ferromagnética/normal/ ferromagnética (F/N/F). Menor dispersão de spin ocorre quando as duas camadas F são paralelas do que quando são antiparalelas, pois a configuração paralela tem menor resistência. Este efeito "magnetorresistência gigante" (GMR) foi reconhecido com o PrêmioNobel de Física em 2007 e é a base das cabeças de leitura em discos rígidos magnéticos.

        Mesmo antes à descoberta da GMR, Pierre de Gennes [2] - e mais tarde outros teóricos [3,4,5] -propuseram a válvula de spin supercondutora. Essa estrutura em camadas é constituída por uma fina camada supercondutora (S) entre dois ferromagnéticos (F/S/F) [2,3,4] ou uma camada supercondutora empilhada em cima de dois ferromagnéticos (M/M/S) [5]. Ainda que os portadores de carga dos supercondutores sejam pares de elétrons com spin opostos e não transportem uma corrente de spin, a T_C do supercondutor numa válvula de spin pode depender do alinhamento da magnetização das camadas ferromagnéticas. Isto resulta do chamado efeito de proximidade supercondutor, que envolve a fuga de elétrons emparelhados da camada S nas camadas vizinhas F, suprimindo a supercondutividade que ocorre a uma T_C inferior.

        Em 2002, Gu et al. demonstraram este efeito da válvula de spin supercondutora utilizando dispositivos F/S/F [6], mas a diferença medida na T_C (ΔT_C) entre a configuração com as camadas F paralelo e antiparalela foi inferior a 10 millikelvin (mK), que é comparável à largura da transição e muito pequeno para interruptores supercondutores práticos. A teoria quaseclássica prevê valores maiores de ΔT_C que pode ser uma fração significativa de T_C. Apesar da extensa pesquisa experimental sobre a válvula de spin supercondutora, os pesquisadores ainda têm de atingir valores de ΔT_C/T_C que são grandes o suficiente para aplicações práticas.

        Em seus dispositivos (Fig.1), Aarts e seus colegas tiram proveito de um determinado tipo de efeito de proximidade supercondutor que envolve a conversão de pares singletos para pares tripletos com spins paralelos (pares tripletos de igual-spin). A conversão ocorre quando os elétrons emparelhados em um supercondutor encontram uma interface com um campo magnético não homogêneo [7,8]. Ao encontrar um exchange de campo ferromagnético, pares singletos ganham momentum (mistura de spin), o que resulta na criação de tripletos de spin zero, ou seja, projeção de pares com spin zero ao longo do eixo de magnetização. Ao contrário dos pares singletos, tripletos de spin zero podem existir em diferentes formas com sua projeção de spin dependendo da orientação dos eixos de magnetização-quantização. E, se os pares de tripleto de spin zero encontram uma segunda camada ferromagnética que está desalinhada com a camada ferromagnética onde foram formados, os diferentes componentes do tripleto podem transformar uma na outra. Este processo de rotação de spin favorece a geração de pares tripletos de igual-spin e aumenta o efeito de proximidade que suprime supercondutividade e reduz a T_C. Em 2010, os teóricos propuseram que o efeito pode ser utilizado para manipular um efeito de válvulas de spin em estruturas de F/F/S [9]. Com as duas camadas F desalinhados por 90^∘, a magnetização seria maximamente inomogênea, fazendo a T_C declinar drasticamente em relação ao seu valor quando as camadas F forem alinhadas paralela ou antiparalelamente.

        Embora esse comportamento tenha sido observado experimentalmente em dispositivos F/F/S usando ferromagnéticos metálicos [10,11], a maior supressão relatada da T_C foi apenas cerca de 120 mK [11]. Aarts e seus colegas conseguiram uma supressão muito maior devido a uma escolha inteligente do material para uma das camadas F. Seus dispositivos consistem em camadas CrO₂/Cu/Ni/MoGe (Fig.1), onde o CrO₂ e o Ni são camadas ferromagnéticas ‘sanduichadas’ por um espaçador não magnético (Cu), e o MoGe é um supercondutor com uma T_C de 6 K. Ao contrário dos ferromagnéticos metálicos, que são apenas parcialmente spin-polarizados, o CrO₂ é um ferromagnético meio-metálico cujos elétrons na energia de Fermi são 100% spin-polarizados. Isto significa que os processos de espalhamento que "viram" o spin de um elétron não ocorrem no CrO₂. Como resultado, os pares tripletos spin-polarizados podem viajar muito além da camada supercondutora que é possível em ferromagnéticos metálicos. Isso aumenta o efeito supercondutor de proximidade e leva a diferenças maiores na T_C entre os estados ferromagnéticos alinhados e desalinhados. Usando um campo magnético para girar a camada ferromagnética do Ni, os pesquisadores foram capazes de mudar a T_C por 1 K.

        A descoberta de que ferromagnéticos meio-metálicos são o segredo para uma grande supressão na T_C é uma excelente oportunidade para o desenvolvimento de interruptores supercondutores controlados por magnetização. Isto porque a T_C varia ao longo de uma vasta gama de temperaturas, o que significa que o estado de resistência do dispositivo é altamente estável a mudanças de temperatura. Válvulas de spin tripletos supercondutoras podem realizar funções lógicas quase equivalentes a dispositivos GMR (embora a temperaturas mais baixas), mas potencialmente com uma eficiência muito maior de dissipação de energia que é minimizada pela presença da supercondutividade. Os resultados de Aarts e colegas, portanto, motivam o estudo de dispositivos mais complexos que combinam o não equilíbrio do transporte de spin e da coerência de fase supercondutora. Tais dispositivos poderiam ser utilizados para controlar o estado magnético de válvulas de spin supercondutoras, e potencialmente o fluxo de calor, mas eletricamente, em vez de com os campos magnéticos.

Fonte: http://physics.aps.org/articles/v8/49

Esta pesquisa está publicada no Physical Review X.

Referências

1.    A. Singh, S. Voltan, K. Lahabi, and J. Aarts, “Colossal Proximity Effect in a Superconducting Triplet Spin Valve Based on the Half-Metallic Ferromagnet CrO₂,” Phys. Rev. X 5, 021019 (2015)

2. P. G. De Gennes, “Coupling between Ferromagnets through a Superconducting Layer,” Phys. Lett. 23, 10 (1966)

3. L. R. Tagirov, “Low-Field Superconducting Spin Switch Based on a Superconductor/Ferromagnet Multilayer,” Phys. Rev. Lett. 83, 2058 (1999)

4. A. I. Buzdin, A. V. Vedyayev, and N. V. Ryzhanova, “Spin-Orientation-Dependent Superconductivity in F/S/F Structures,” Eur. Phys. Lett. 48, 686 (1999)

5. S. Oh, D. Youm, and M. R. Beasley, “A Superconductive Magnetoresistive Memory Element Using Controlled Exchange Interaction,” Appl. Phys. Lett. 71, 2376 (1997)

6. J. Y. Gu, C.-Y. You, J. S. Jiang, J. Pearson, Ya. B. Bazaliy, and S. D. Bader, “Magnetization-Orientation Dependence of the Superconducting Transition Temperature in the Ferromagnet-Superconductor-Ferromagnet System: CuNi/Nb/CuNi,” Phys. Rev. Lett. 89, 267001 (2002)

7. F. S. Bergeret, A. F. Volkov, and K. B. Efetov, “Long-Range Proximity Effects in Superconductor-Ferromagnet Structures,” Phys. Rev. Lett. 86, 4096 (2001)

8. J. Linder and J. W. A. Robinson, “Superconducting Spintronics,” Nature Phys. 11, 307 (2015)

9. Ya. V. Fominov, A. A. Golubov, T. Yu. Karminskaya, M. Yu. Kupriyanov, R. G. Deminov, and L. R. Tagirov, “Superconducting Triplet Spin Valve,” JETP Lett. 91, 308 (2010)

10.                   P.V. Leksin, N.N. Garif’yanov, I. A. Garifullin, Ya. V. Fominov, J. Schumann, Y. Krupskaya, V. Kataev, O. G. Schmidt, and B. Büchner, “Evidence for Triplet Superconductivity in a Superconductor-Ferromagnet Spin Valve,” Phys. Rev. Lett. 109, 057005 (2012)

11.                      X. L. Wang, A. Di Bernardo, N. Banerjee, A. Wells, F. S. Bergeret, M. G. Blamire, and J. W. A. Robinson, “Giant Triplet Proximity Effect in Superconducting Pseudo Spin Valves with Engineered Anisotropy,” Phys. Rev. B 89, 140508 (2014)