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Aug 22, 2023

Forscher beobachten den allgegenwärtigen supraleitenden Diodeneffekt in dünnen supraleitenden Filmen

Feature vom 3. August 2023 Dieser Artikel wurde gemäß dem Redaktionsprozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Redakteure haben die folgenden Attribute hervorgehoben und dabei den Inhalt sichergestellt

Feature vom 3. August 2023

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

Der sogenannte supraleitende (SC) Diodeneffekt hat aufgrund seines potenziellen Werts für die Entwicklung neuer Technologien in letzter Zeit große Aufmerksamkeit in der physikalischen Forschungsgemeinschaft auf sich gezogen. Dieser Effekt ist ein wichtiges Beispiel für nichtreziproke Supraleitung, da Materialien, die ihn beherbergen, in einer Stromflussrichtung im Wesentlichen supraleitend und in der anderen ohmsch sind.

Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben kürzlich in Zusammenarbeit mit IBM Research Europe und anderen Instituten weltweit diesen interessanten Effekt in dünnen Filmen supraleitender Materialien beobachtet. Ihre in den Physical Review Letters vorgestellten Ergebnisse könnten die Herstellung neuer elektronischer Komponenten ermöglichen, beispielsweise leistungsstärkere Dioden (dh Geräte, die den Fluss von elektrischem Strom in eine bestimmte Richtung ermöglichen).

„Unsere Entdeckung eines SC-Diodeneffekts war in gewisser Weise ein Zufall, aber ebenso überraschend“, sagte Jagadeesh Moodera, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. „Wir untersuchten (und tun dies immer noch) die schwer fassbaren Majorana-gebundenen Zustände, auch bekannt als Majorana-Fermionen, die auf einer supraleitenden Goldoberfläche mithilfe einer ähnlichen dünnen Filmstapelstruktur auftreten. Wir machten einen Umweg für eine ‚schnelle‘ Suche nach dem Phänomen ( supraleitender Diodeneffekt), der plötzlich ins Rampenlicht geriet, und seit 2020 erschienen mehrere neue Berichte zu diesem Thema.

Nur wenige Tage nachdem Moodera und seine Kollegen mit der Untersuchung des SC-Diodeneffekts begannen, konnten sie ihn erfolgreich in dünnen supraleitenden Filmen beobachten. Zunächst versuchten sie gezielt, den Effekt unter bekanntermaßen günstigen Bedingungen zu beobachten, nämlich wenn die Supraleiter Spin-Bahn- und Austauschfeldern ausgesetzt waren. Sie erkannten jedoch bald, dass der Effekt in supraleitenden Schichten allgegenwärtig war, was bedeutet, dass er in beiden Fällen auch ohne diese Felder auftrat.

„Es stellte sich heraus, dass ein Rekorddiodenverhalten in einem Supraleiter durch einfaches Formen seiner Kanten realisiert werden konnte und so die Grundlage für eine zukünftige einfache Skalierung effizienter supraleitender Speicher-, Schalter-, Logik- usw. Gerätetechnologie bildet“, erklärte Moodera. „Es ist bemerkenswert, darauf hinzuweisen, dass zwei Oberstufenschüler, die im Sommer am MIT geforscht haben, nämlich Amith Verambally und Ourania Glezakou-Ebert, maßgeblich an dieser Studie beteiligt waren. Diese Arbeit unterstreicht weiter, dass bahnbrechende Forschung dann stattfindet, wenn man es am wenigsten erwartet, wenn sie kostenlos ist.“ zu erkunden, mit offenem Geist!“

Supraleiter sind Materialien, die supraleitend werden (dh sie können Gleichstrom leiten, ohne Energie zu verlieren), wenn sie auf ausreichend niedrige Temperaturen abgekühlt werden. Mit anderen Worten: In diesen Materialien fließt verlustfreier elektrischer Strom, der ohne Widerstand bis zu einem Maximalwert, dem sogenannten kritischen Strom, durch sie fließt.

Wenn der SC-Diodeneffekt auftritt, unterscheidet sich dieser kritische Strom je nach Richtung (dh je nachdem, ob er im Material vorwärts oder rückwärts fließt). Das Hauptziel der Forscherstudie bestand darin, diesen Effekt in dünnen Schichten supraleitender Materialien zu untersuchen.

„Wir haben hochwertige SC-Filme mit einer ferromagnetischen Halbleiterschicht darüber hergestellt und bei der Messung der Transportstromeigenschaften einen enormen SC-Diodeneffekt festgestellt, ohne dass ein angelegtes Magnetfeld erforderlich war“, erklärten Akashdeep Kamra und Yasen Hou. „Wir erkannten, dass die feinen geometrischen Details der Seiten unserer lithographisch gemusterten Filmstreifen die entscheidende Rolle bei diesem Diodeneffekt spielten. Also haben wir einfach den SC-Film synthetisiert und auf einer der Seiten Inhomogenität eingeführt, wodurch eine weitere Asymmetrie entstand, um sie zu verstärken.“ der SC-Diodeneffekt.“

Interessanterweise wurden die Materialien, die für die Studie mit abgestimmter Kanteninhomogenität verwendet wurden, zum großen Teil von zwei Oberstufenschülern entworfen, die unter der Aufsicht von Hou und Moodera an einem Sommerprogramm am MIT teilnahmen. Ihre kreativen Designs trugen wesentlich dazu bei, dass das Team einen noch stärkeren SC-Diodeneffekt beobachtete.

„In den letzten Jahren gab es mehrere Berichte über den supraleitenden Diodeneffekt auf ziemlich komplexen Mehrschichtsystemen, deren Interpretationen größtenteils auf der Vorstellung einer endlichen Impuls-Cooper-Paarung basierten“, sagte Patrick Lee. „Die Zutaten sind Magnetfeld oder Magnetisierung und Spin-Bahn-Wechselwirkung, um einen unkonventionellen SC-Film zu konstruieren. Ein relativ einfacher Aufbau besteht darin, einen SC-Film zwischen einer Ferromagnetschicht einzuschieben, um die Magnetisierung zu erzeugen, und einem Schwermetall wie Pt, um die Spin-Bahn bereitzustellen.“ Kopplung. Wir waren daran interessiert, diesen Vorschlag zu testen.

Wie vorhergesagt, beobachteten Moodera, Hou, Kamra, Lee und ihre Kollegen die SC-Diodeneffekte in den Sandwich-ähnlichen Strukturen, die sie sorgfältig erstellt hatten. Um festzustellen, ob dieses Sandwich-ähnliche Design der Schlüssel zur Entstehung des Effekts war, erstellten sie anschließend dünne supraleitende Kontrollproben, von denen sie erwarteten, dass sie diesen Effekt nicht zeigen würden. Zu ihrer großen Überraschung zeigten diese Kontrollproben jedoch einen ebenso starken SC-Diodeneffekt.

„Wir haben herausgefunden, dass weder das Schwermetall Pt noch die Austauschkopplung zwischen dem Ferromagneten und dem SC notwendig sind: Der Effekt wird durch das Randfeld am Rand des Ferromagneten angetrieben“, erklärte Lee. „Schließlich haben wir herausgefunden, dass wir den Ferromagneten vollständig eliminieren können, und ein einzelner SC-Film, der einem sehr kleinen senkrechten Feld ausgesetzt ist, zeigt den Diodeneffekt. Der Ursprung dieses Effekts hat mit der Wirbelfixierung in der Nähe der Kante zu tun. Nachdem wir das verstanden hatten, haben wir hat absichtlich eine gezackte Kante auf einer Seite des Films erzeugt und einen sehr großen Diodeneffekt beobachtet.“

Um ihre Beobachtungen besser zu verstehen, überprüften die Forscher anschließend die bisherige Literatur zu diesem Thema. Sie fanden heraus, dass frühere Studien zwar einige der grundlegenden physikalischen Grundlagen des SC-Diodeneffekts diskutierten, dies jedoch häufig auf unorganisierte und streuende Weise geschah.

„Diese Papiere sind der Aufmerksamkeit der jüngsten Flut von Papieren zu diesem Thema entgangen“, sagte Lee. „Wir erzeugen also nicht nur rekordverdächtige Diodeneffekte auf sehr einfache Weise, sondern stellen auch die jüngsten Arbeiten in den richtigen Kontext. Jede Behauptung eines neuen Effekts sollte daher die Beseitigung der „allgegenwärtigen“ Merkmale, die wir gefunden haben, in Angriff nehmen. "

Die jüngste Arbeit dieses Forscherteams identifiziert effektiv die Physik, die dem SC-Diodeneffekt in dünnen SC-Filmen zugrunde liegt, und zeigt, dass er nicht auf einer anderen Art von Cooper-Paarungsmechanismus beruht. Im Gegensatz dazu deutet es darauf hin, dass der SC-Diodeneffekt sehr einfach zu realisieren ist und mit den grundlegenden inhärenten Eigenschaften von SC-Materialien zusammenhängt, die seit Jahrzehnten bekannt sind.

Die von Moodera, Hou, Kamra, Lee und ihren Kollegen gesammelten Erkenntnisse könnten in Zukunft die Entwicklung neuer und leistungsstarker SC-Dioden ermöglichen. Diese Dioden basieren nicht nur auf dünnen Materialien und lassen sich daher leichter verkleinern, sondern könnten auch einfach herzustellen und hocheffizient sein.

„In unserer Arbeit konnten wir den Mechanismus für die Entstehung des SC-Diodeneffekts nicht identifizieren und verstehen, wenn ein Magnetfeld entlang der Stromflussrichtung angelegt wird“, fügten Kamra, Hou, Lee und Moodera hinzu. „Dies bleibt eine faszinierende und herausragende Herausforderung für uns und die wissenschaftliche Gemeinschaft. Wir möchten dies in Zukunft herausfinden.“

„Gleichzeitig möchten wir aus Gerätesicht die Temperatur- und Frequenzabhängigkeit des SC-Diodeneffekts bestimmen, damit dieser auf Supraleiter mit höheren Temperaturen ausgeweitet werden kann und wir uns außerdem ein robustes und schnelles Computing vorstellen können.“

Mehr Informationen: Yasen Hou et al., Ubiquitous Supraconducting Diode Effect in Supraconductor Thin Films, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.027001

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