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)

Dispositivo de memória híbrida para computador supercondutor (Hybrid memory device for superconducting computing)

        Uma equipe de cientistas do NIST desenvolveu e demonstrou uma nova tecnologia de memória em nanoescala para computadores que usam supercondutores que poderia acelerar o advento de uma tão aguardada alternativa de baixo consumo de energia para data centers convencionais.

        Nos últimos anos, a gigantesca crescente demanda de dados de computação em nuvem, o uso da Internet, suporte a dispositivos móveis e outras aplicações, levaram a criação de recursos de computação centralizada em centenas de milhares de sites em todo o mundo.

        Essas instalações funcionam 24 horas por dia e empregam matrizes de servidores baseados em semicondutores que exigem quantidades substanciais de energia elétrica e geram grande quantidade de calor - que por sua vez exige ainda mais energia para remover.
        Mesmo que as necessidades de energia para todos os centros de dados norte-americanos sejam satisfeitas, as limitações inerentes dos semicondutores define o limite para a futura capacidade de processamento onde o volume de informação digital aumenta exponencialmente.

Uma tecnologia promissora é a computação que utiliza supercondutores, a qual oferece a perspectiva de trnasportar informações sem perdas através de canais de resistência zero. Em vez de usar transistores semicondutores para comutar sinais eletrônicos, estes sistemas usam componentes minúsculas chamadas junções Josephson (JJ). Estes operam perto do zero absoluto (de 4 K a 10 K), dissipam quantidades minúsculas de energia (menos de 10^-19 joule por operação), e pode ser alternado entre os estados em centenas de bilhões de vezes por segundo (freqüências de gigahertz), em comparação com poucos gigahertz de computadores que utilizam semicondutores.

Até o momento, muitas tecnologias-chave como circuitos lógicos, interconexões de componentes e memória criogênica, necessárias para um computador que use supercondutores, ainda não foram desenvolvidas. Mas o Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA) determinou que, graças ao recente progresso da pesquisa, as ‘bases para um grande avanço’ estão agora em vigor, e lançou um programa para investigar a viabilidade prática da computação que usa supercondutores.

Cientistas do NIST foram contratados para desenvolver as metrologias e avaliação dos métodos necessários para o programa IARPA. Mas, muito antes do início do programa um dos obstáculos mais difíceis para a computação que usa supercondutores já vinha sendo focado: a falta de um sistema de memória que pode trabalhar na temperatura criogênica e a uma velocidade impressionante dos interruptores JJ enquanto também requer energia operacional mínima.

Um módulo de memória da equipe do NIST é uma junção Josephson modificada com dimensões na escala de 100 nanômetros. Entre os dois eletrodos da junção supercondutora, os cientistas fabricaram uma barreira de multi-camada que consiste em dois materiais magnéticos diferentes, separados por um metal não magnético.

A relação entre as polaridades das duas camadas magnéticas - que podem ser alinhadas paralela ou anti-paralelamente - determina a magnitude da supercorrente na junção Josephson, e pode ser igual ou diferente de zero da tensão através da junção. Esse efeito é baseado na competição intrincada entre supercondutividade e magnetismo que foi inequivocamente demonstrada no trabalho da equipe do NIST. Esses dois estados de corrente ou tensão pode representar 0 ou 1 - valores binários para memória do computador supercondutor. O tamanho do dispositivo pode ser reduzido, como será necessário para alta capacidade de memória, sem perder a capacidade de diferenciar o estado.

As propriedades magnéticas da barreira podem ser controladas apenas através de correntes elétricas em vez do campo magnético. Isto é conseguido através de um processo chamado de transferência de torque de spin: uma corrente normal, com uma distribuição uniforme de spin, passa através da camada magnética fixa, que atua como um filtro de tal modo que os elétrons que emergem são polarizados por rotação. O momento angular associado a esse estado de spin é então transferido para a camada livre, mudando o seu alinhamento magnético. O processo é reversível. Este efeito tem sido amplamente estudado para memórias magnéticas à temperatura ambiente, mas geralmente para memórias baseadas na mudança de resistência (magnetorresistência).

Ambas operações, ler e escrever, são escaláveis ​​para nanodispositivos. Ler pode ser realizada por sondagem ad força da supercondutividade com uma energia minúscula. A energia de gravação pode ser melhorada com a engenharia do material magnético e redução do tamanho do dispositivo; o limite final é dado pela energia magnética que também é minúscula. Combinado com nonvolatility (sem necessidade de refrigeração) e velocidade, este híbrido supercondutor-magnético promete uma tecnologia alternativa para memórias de semicondutores.

Outros grupos têm desenvolvido dispositivos híbridos supercondutores-magnéticos de vários tipos. Mas o módulo do NIST é o primeiro a utilizar efeitos spintrônicos, que são particularmente difíceis de caracterizar em nanoescala. O híbrido do NIST pode ser facilmente integrado com os sistemas supercondutores, e os pesquisadores estão analisando os comportamentos de diferentes configurações e materiais de barreira sob várias condições para o uso na memória e outras funções.

“A combinação de baixa perda de lógica supercondutora não volátil, a memória magnética híbrida pode revolucionar a computação e armazenamento de dados dentro de uma década”, diz Ron Goldfarb, líder do Magnetics Group e membro de apoio da equipe do NIST. “O recente trabalho do NIST demonstrando comutação spintrônica de dispositivos híbridos de memória magnética-supercondutora foi uma prova vital de princípio. Outros grupos estão trabalhando em diferentes implementações. Devido à sua experiência de medição e imparcialidade, a NIST será responsável por testes para IARPA”.

Olhando para o futuro, Goldfarb diz: “O desenvolvimento de novos tipos de processadores de computador para além dos limites dos semicondutores é uma área emergente de pesquisa interdisciplinar. Isso inclui novos tipos de lógica computacional, memória principal, memória de cache e de armazenamento em massa para supercomputadores, processadores de imagem e centros de dados. A partir de uma perspectiva de medidas, há uma necessidade de testar o protótipo e aferir a confiabilidade, reprodutibilidade, dissipação de energia e desempenho de alta velocidade desses componentes, dispositivos, circuitos, e os seus materiais constituintes”.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-01-hybrid-memory-device-superconducting.html

Fonte2: http://www.nature.com/ncomms/2014/140528/ncomms4888/full/ncomms4888.html