Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Veldgeïnduceerde supergeleiding in kwantummaterialen

Rek- en veldafstembare ferromagnetische supergeleiding. (A) Het ferromagnetische materiaal Eu(Fe.88Co.12)2As2 bestaat uit gestapelde vlakken van Eu en gedoteerde FeAs-lagen, waarbij de eerste ferromagnetisme vertoont (FM; TFM =17 K) en de laatste beide nematiciteit (N; TS =68 K) en supergeleiding (SC; TSC =19 K). Onder TFM maakt het naast elkaar bestaan ​​en de concurrentie tussen de drie fasen een uitzonderlijke afstembaarheid van de supergeleiding mogelijk. (B) Een klein magnetisch veld in het vlak heroriënteert de Eu-momenten van buiten het vlak naar in het vlak, waardoor de magnetische flux door de FeAs-lagen wordt verminderd. Een toestand van nulweerstand (R =0) treedt op in de buurt van de volledige verzadiging van de momenten in het vlak (bij H =Hsat), wat veldgeïnduceerde supergeleiding aantoont. (C) Net als bij andere ijzer-pnictide-supergeleiders maakt de N/SC-fasecompetitie een effectieve spanningsafstemming van de supergeleiding mogelijk via spanningsafstemming van de roostergekoppelde nematische orde. Trekrek (ɛxx> 0) langs de FeAs-bindingsrichting onderdrukt de door nematiciteit aangedreven orthorhombiciteit langs de FeFe-bindingsrichting. Dit verbetert de supergeleiding, waarbij de toegang tot de R =0-toestand wordt aangeduid als ε. (D) Gecombineerde rek- en veldafstemming van de soortelijke weerstand definieert een R =0 supergeleidend gebied van het fasediagram (grijs) bij één vaste temperatuur, met een precieze vorm die afhangt van de (temperatuurafhankelijke) waarden van ε en Hsat. Voor velden van H =0 tot H =Hsat kiest spanning tussen een altijd metallische toestand (magenta), een altijd supergeleidende toestand (groen) en een veldgeïnduceerde supergeleidende toestand (cyaan). Spanning werkt dus als een tuimelschakelaar voor de faseveldafstemming. Credit:Wetenschappelijke vooruitgang , doi:10.1126/sciadv.adj5200

Veldgeïnduceerde supergeleiding treedt op wanneer een aangelegd magnetisch veld de supergeleiding vergroot of induceert. In een nieuw rapport gepubliceerd in Science Advances , pasten Joshua J. Sanchez en een team van wetenschappers stress toe als een schakelaar tussen een veldafstembare supergeleidende toestand en een robuuste niet-veldafstembare toestand, ter gelegenheid van de eerste demonstratie van een spanningsafstembare, supergeleidende spin-valve met oneindige magnetoweerstand.

P>

De wetenschappers combineerden instelbare uniaxiale spanning en legden een magnetisch veld aan op de ferromagnetische supergeleider om de door het veld geïnduceerde nulweerstandstemperatuur te verschuiven. Met behulp van röntgendiffractie en spectroscopiemetingen onder stress stelde het team voor dat de oorsprong van veldgeïnduceerde supergeleiding het gevolg is van een nieuw mechanisme dat bekend staat als de dipolaire vouw.

Kwantummaterialen in de fysica van de gecondenseerde materie

Het is mogelijk om te schakelen tussen verschillende elektronische fasen in kwantummaterialen door de parameters af te stemmen om te laten zien hoe ze op elkaar inwerken om de technologische ontwikkeling te stimuleren. Een gebied van belangrijke ontwikkeling omvat ferromagnetisme en supergeleiding, waarvan de antagonistische interacties leiden tot ongebruikelijke verschijnselen, waaronder magnetische wervelingen, en spin-gepolariseerde superstromen als veelbelovende methoden voor energie-efficiënte gegevensopslag.

Onderzoekers hebben veel aandacht besteed aan supergeleidende spinkleppen die een supergeleidende laag omringen, voor informatietechnologieën met lage energiedissipatie. De ontwikkeling van dergelijke technologieën kan worden beperkt door de zeer lage temperaturen die nodig zijn om ze te implementeren.

Afgezien van kunstmatige heterostructuren vertoonde een handvol monokristallijne materialen veldgeïnduceerde supergeleiding, smeltende gedoteerde supergeleiders en organische supergeleiders. In deze materialen en supergeleidende dunnefilm-spinkleppen ligt de nulweerstandstemperatuur lager dan 1 Kelvin, waardoor de praktische toepassingen ervan worden beperkt.

Veldgeïnduceerde supergeleiding zonder spanning. De soortelijke weerstand van monster 1 versus temperatuur voor een aangelegd veld van nul (zwart) en μ0H =0,2 T (ononderbroken lijn) en 1 T (stippellijn) toegepast in vlak (rood) en uit het vlak (blauw). Voor μ0H =0,2 T toegepast in het vlak, stijgt de temperatuur met nulweerstand van T0 =7,5 naar 9,0 K. Credit:Wetenschappelijke vooruitgang , doi:10.1126/sciadv.adj5200

Supergeleiding met dunne film

Binnen deze materialen, en binnen supergeleidende dunnefilm-spinkleppen, ligt de nulweerstandstemperatuur lager dan 1 Kelvin, wat hun praktische toepassingen kan beperken. Op dit moment moeten de onderliggende mechanismen van veldgeïnduceerde supergeleiding nog worden bepaald, waarbij het effect de temperatuur kan verhogen.

In dit werk hebben Sanchez et al. toonde veldgeïnduceerde supergeleiding aan in 12% co-gedoteerde supergeleidende materialen met variërende temperatuur, met toegepaste uniaxiale spanning. De waarde leverde de hoogste gerapporteerde temperatuur op van door magnetisch veld geïnduceerde supergeleiding in welk materiaal dan ook. De gedoteerde materialen bestonden als een natuurlijk gegroeide supergeleidende spin-valve-architectuur met dunne film, met afwisselend ferromagnetische en supergeleidende lagen.

Het team combineerde de synchrotron-röntgenmethoden met transportmetingen om aan te tonen dat de capaciteit voor spanningsafstemming en veldafstemmingseigenschappen bestaan ​​als kenmerken van onafhankelijke supergeleiding.

Sanchez en collega's combineerden spanningsafstemming met hoge temperatuur en lage schakelvelden om een ​​bestaand platform te creëren voor potentiële supergeleidende spintronica-toepassingen. Ze voerden verder dichtheidsfunctionaaltheorieberekeningen uit om ferromagnetische en antiferromagnetische uitwisselingsinteracties te benadrukken en zo het mysterie van het naast elkaar bestaan ​​met ferromagneten op te lossen.

Het team wil onderzoeken hoe dit mechanisme kan worden gerealiseerd in andere systemen, waaronder tweedimensionale systemen.

Veld-geïnduceerde supergeleiding

Tijdens deze experimenten groeiden de wetenschappers enkele kristallen met 12% co-gedoteerde materialen in tinflux en merkten ze op hoe de niet-stoichiometrische groeisamenstelling monsters opleverde met verhoogde supergeleidende overgangstemperaturen. Ze selecteerden monsters uit verschillende groeibatches en bereidden deze op identieke wijze voor om de veld- en spanningsafstemming van de weerstand beter te kunnen vergelijken. Tijdens de experimenten koelde het team de monsters af via respectievelijk supergeleidende en ferromagnetische temperaturen.

Spannings- en veldafstembaar fasediagram. (Rechts) Weerstand versus temperatuur voor de nul-rektoestand (hetzelfde als de zwarte curve in figuren 2 en 3) en voor de trek- (groen) en druk- (magenta) spanningstoestanden in figuur 3C. (Links) Fasegrens tussen ρ> 0 en ρ =0 toestanden onder spanning nul (cyaan), spanning (groen) en compressie (magenta), bepaald door weerstand versus temperatuurgegevens (ruiten) en weerstand versus magnetisch veld (vierkanten). Veldgeïnduceerde supergeleiding aangegeven door gearceerde gebieden voor elke spanningstoestand. Credit:Wetenschappelijke vooruitgang , doi:10.1126/sciadv.adj5200

Na het uitvoeren van deze metingen monteerde het team het monster op een uniaxiaal spanningsapparaat om de weerstand en het rekbereik te meten. Toen ze het veld bij een vaste temperatuurspanning aanbrachten, construeerden ze een veldafstembaar fasediagram voor supergeleidingsspanning.

Het onderzoeksteam merkte de toegankelijkheid van de veldgeïnduceerde supergeleiding op in een temperatuurvenster zonder spanning. Naarmate de temperatuur daalde, leidde het toenemende magnetische moment ertoe dat ferromagnetisme een grotere invloed kreeg op de supergeleiding.

Verrekking en magnetisch veld:de afstemknoppen van supergeleiding

Om de onafhankelijkheid van spanning en magnetisch veld te identificeren om supergeleiding af te stemmen en het mechanisme van veldgeïnduceerde supergeleiding op te lossen, voerden Sanchez en collega's transportmetingen uit onder uitgeoefende spanning, gelijktijdig met röntgendiffractie of röntgenmagnetisch circulair dichroïsme bij de geavanceerde fotonenbron. . Röntgendiffractie bood een krachtige methode om ferromagnetische supergeleiders met elementspecifieke magnetische informatie te bestuderen, onder fluorescentiemodus.

Het team heeft vervolgens de supergeleiding effectief op spanning afgestemd door middel van concurrentie met op spanning afstembare nematiciteit en de bijbehorende ferromagnetische orde. Het onderzoeksteam constateerde veldgeïnduceerde supergeleiding waarbij een smal spanningsbereik veldgeïnduceerde supergeleiding mogelijk maakte. Om vervolgens de oorsprong van veldgeïnduceerde supergeleiding te onderzoeken, voerden de onderzoekers gelijktijdige weerstands- en röntgenmetingen uit om onafhankelijk de parameters van supergeleiding af te stemmen.

Conceptuele benadering voor een tuimelschakelaar die gebruik maakt van een spanningsschakelbare supergeleidende spinklep. (A) Een in het veld schakelbare stroomdeler wordt gecreëerd door een spanningsafstembare supergeleidende spinklep (SSV, blauw) mechanisch en elektrisch aan te sluiten op een piëzo-actuator (grijs). (B) Een stroom I gaat door de SSV van de ingangs- (Vin) naar de uitgangsspanningskabels (Vout), waarbij Vout =Vin − IR. De spanning over de piëzo is AVp =Vout. (C) Apparaatparameters worden zo gekozen dat een aangelegde spanning ɛxx(Vin) =ε en/of een aangelegd veld H =Hsat de SSV van een metallische toestand (M, R> 0) naar een supergeleidende toestand (SC, R =) schakelt 0). (D) Het circuit initialiseert op punt (a) met de SSV in de M-status. Schrijf SC (cyaan):Er wordt een magnetisch schrijfveld aangelegd om de SSV van de M-toestand naar de SC-toestand te schakelen. Naarmate H toeneemt tot Hsat, neemt R af tot nul, waardoor de piëzospanning toeneemt tot ΔVp =Vin en de spanning toeneemt tot ε [punt (b)]. De extra aangelegde spanning handhaaft de SC-toestand nadat het schrijfveld is verwijderd [punt (c)]. Het apparaat geeft dus geheugen weer. SC wissen (magenta):De SSV kan worden teruggebracht naar de M-status (de geschreven SC-status kan worden gewist) door de piëzo direct te ontladen, d.w.z. door Vin =0 in te stellen. Credit:Wetenschappelijke vooruitgang , doi:10.1126/sciadv.adj5200

De onderzoekers integreerden de antiferromagnetische moederverbinding als een sterke bikwadratische interactie tussen de metallische momenten om een ​​grote magnetostructurele koppeling te manifesteren. In dit werk merkte het team Zeeman-splitsing op, veroorzaakt door een extern veld om supergeleiding te vergemakkelijken. Het naast elkaar bestaan ​​van supergeleiding en ferromagnetisme was een ander opvallend kenmerk van verwante materialen.

Vooruitzichten

Op deze manier presenteerden Joshua J. Sanchez en collega's veldgeïnduceerde supergeleiding tussen een reeks temperaturen door röntgendiffractie, circulair röntgendichroïsme en transportmetingen te combineren om te laten zien hoe spanning en magnetisch veld onafhankelijke afstemknoppen mogelijk maakten.

De hoge afstembaarheid van het systeem resulteerde in het gelijktijdig bestaan ​​van supergeleidende, nematische en ferromagnetische fasen. De wetenschappers verwachten nog hogere veldgeïnduceerde supergeleidende temperaturen in materialen die zijn ontworpen met een perfecte balans tussen supergeleiding bij hogere temperaturen en ferromagnetisme.

Toekomstig onderzoek zou de capaciteit of het potentieel van een materiaal kunnen beoordelen om toepassingen van supergeleidende spintronica uit te voeren door de mate van spinpolarisatie en spin-triplet-paring te bestuderen wanneer het door veldafstembare magnetische lagen gaat.

Meer informatie: Joshua J. Sanchez et al., Door spanning schakelbare veldgeïnduceerde supergeleiding, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj5200

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

© 2023 Science X Netwerk




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Pareidolie:waarom we in bijna alles gezichten zien
  2. Bewaking op afstand helpt bij het vinden van oplossingen voor crapemyrtle bark scale
  3. Waarom zien mitochondriën eruit zoals ze eruit zien?
  4. Biodiversiteit in de marges:Het samenvoegen van landbouwgronden heeft invloed op de natuurlijke plaagbestrijding
  5. Hoe hersenspoeling werkt
  6. Beyond AlphaFold:AI blinkt uit in het creëren van nieuwe eiwitten
  7. Top tien feiten over de menselijke blaas
  8. Monoculturen of gemengde soorten? Nieuw onderzoek laat zien hoe verschillende bossen omgaan met droogte
  9. Waar worden mensen blij van?

Wetenschap