In het algemeen, magnetisme en de verliesvrije stroom van elektrische stroom ("supergeleiding") zijn concurrerende verschijnselen die niet naast elkaar kunnen bestaan ​​in hetzelfde monster. Echter, voor het bouwen van supercomputers, het synergetisch combineren van beide toestanden heeft grote voordelen in vergelijking met de huidige halfgeleidertechnologie, gekenmerkt door een hoog stroomverbruik en warmteproductie. Onderzoekers van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Konstanz hebben nu aangetoond dat de verliesloze elektrische overdracht van magnetisch gecodeerde informatie mogelijk is. Deze bevinding maakt een verbeterde opslagdichtheid op chips met geïntegreerde schakelingen mogelijk en vermindert het energieverbruik van rekencentra aanzienlijk. De resultaten van deze studie zijn gepubliceerd in het huidige nummer van het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie .

De miniaturisering van de halfgeleidertechnologie nadert zijn fysieke grenzen. Al meer dan 70 jaar, informatieverwerking in computers is gerealiseerd door het creëren en overbrengen van elektrische signalen, waarbij warmteafval vrijkomt. Warmteafvoer resulteert in een temperatuurstijging in de bouwstenen, die, beurtelings, vereist complexe koelsystemen. Warmtebeheersing is een van de grote uitdagingen bij miniaturisatie. Daarom, Momenteel worden wereldwijd inspanningen geleverd om de restwarmte bij dataverwerking en telecommunicatie te verminderen.

Een samenwerking aan de Universiteit van Konstanz tussen de experimentele natuurkundegroep onder leiding van professor Elke Scheer en de theoretische natuurkundegroep onder leiding van professor Wolfgang Belzig maakt gebruik van een aanpak gebaseerd op dissipatievrij ladingstransport in supergeleidende bouwstenen. Magnetische materialen worden vaak gebruikt voor het opslaan van informatie. Magnetisch gecodeerde informatie kan, in principe, ook zonder warmteproductie worden getransporteerd door elektronenspin te gebruiken in plaats van lading. Door het verliesloze ladingstransport van supergeleiding te combineren met het elektronische transport van magnetische informatie, d.w.z., spintronica, maakt de weg vrij voor fundamenteel nieuwe functionaliteiten voor toekomstige energie-efficiënte informatietechnologieën.

De onderzoekers van de Universiteit van Konstanz hebben een grote uitdaging aangepakt die met deze benadering gepaard gaat:het feit dat in conventionele supergeleiders, de stroom wordt gedragen door elektronenparen met tegengestelde magnetische momenten. Deze paren zijn daarom niet-magnetisch en kunnen geen magnetische informatie dragen. De magnetische staat, daarentegen, wordt gevormd door magnetische momenten die parallel aan elkaar zijn uitgelijnd, waardoor supergeleidende stroom wordt onderdrukt.

"De combinatie van supergeleiding, die werkt zonder warmteontwikkeling, met spintronica, magnetische informatie overbrengen, is niet in tegenspraak met fundamentele fysieke concepten, maar gewoon naïeve aannames over de aard van materialen, ", zegt Elke Scheer. Recente bevindingen suggereren dat door supergeleiders in contact te brengen met speciale magnetische materialen, elektronen met parallelle spins kunnen worden gebonden aan paren die de superstroom over langere afstanden door magneten dragen. Dit concept kan nieuwe elektronische apparaten met revolutionaire eigenschappen mogelijk maken.

Onder begeleiding van Elke Scheer, Dr. Simon Diesch voerde een experiment uit dat het creatiemechanisme van dergelijke elektronenparen met parallelle spinoriëntatie verduidelijkt. "We hebben laten zien dat het mogelijk is om deze spin-uitgelijnde elektronenparen te creëren en te detecteren, Simon Diesch legt uit. Het ontwerp van het systeem en de interpretatie van de meetresultaten steunen op het proefschrift van Dr. Peter Machon op het gebied van theoretische fysica, die werd uitgevoerd onder toezicht van Wolfgang Belzig.

"Het is belangrijk om materialen te vinden die zulke uitgelijnde elektronenparen mogelijk maken. Ons project is daarom niet alleen een natuurkundig, maar ook een materiaalwetenschappelijk project, ", zegt Scheer. Onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) leverden de op maat gemaakte monsters bestaande uit aluminium en europiumsulfide. Aluminium is een zeer goed onderzochte supergeleider, een kwantitatieve vergelijking tussen theorie en experiment mogelijk te maken. Europiumsulfide is een ferromagnetische isolator, een belangrijke materiële eigenschap voor de realisatie van het theoretische concept, die zijn magnetische eigenschappen behoudt, zelfs in zeer dunne lagen van slechts enkele nanometers dik, zoals hier gebruikt. Met behulp van een scanning tunneling microscoop ontwikkeld aan de Universiteit van Konstanz, ruimtelijk en energetisch opgeloste metingen van het ladingstransport van de aluminium-europiumsulfidemonsters werden uitgevoerd bij lage temperaturen. In tegenstelling tot commerciële instrumenten, de scanning-tunneling-microscoop in het Scheer-lab is geoptimaliseerd voor ultieme energieresolutie en voor werking in variërende magnetische velden.

De spanningsafhankelijkheid van het ladingstransport door de monsters is indicatief voor de energieverdeling van de elektronenparen en maakt een nauwkeurige bepaling van de samenstelling van de supergeleidende toestand mogelijk. Hiertoe, een theorie die eerder door de Belzig-groep was ontwikkeld en was toegesneden om het aluminium-europiumsulfide-interface te beschrijven, werd toegepast. Met deze theorie kunnen de onderzoekers in de toekomst veel complexere elektrische circuits en monsters beschrijven. De door de theorie voorspelde energiespectra komen overeen met de experimentele bevindingen, het leveren van direct bewijs van de magnetische elektronenparen.

Verder, de experimenteel-theoretische samenwerking loste bestaande tegenstellingen op met betrekking tot de interpretatie van dergelijke spectra. Met deze resultaten, de natuurkundigen van de Universiteit van Konstanz hopen het grote potentieel van supergeleidende spintronica te onthullen voor het verbeteren of vervangen van halfgeleidertechnologie.