Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) совместно с зарубежными коллегами открыли бесполевой сверхпроводниковый диодный эффект (СДЭ) в тонкопленочных многослойных системах на основе стека «сверхпроводник/ферромагнетик». Как сообщает Минобрнауки России, данный эффект может быть использован для создания энергонезависимых запоминающих устройств и энергоэффективных логических элементов, работающих в том числе при температурах, близких к абсолютному нулю. Подобная электроника имеет высокие перспективы использования в космическом оборудовании.

Обычные полупроводниковые диоды пропускают ток только в одном направлении (диодный эффект) и используются в основном для выпрямления — преобразования переменного тока в постоянный. С помощью диодов также реализуются логические операции «И» и «ИЛИ». Полупроводниковые диоды обладают электрическим сопротивлением, которое растет с уменьшением температуры и приводит к сильным потерям энергии. Для решения этой проблемы применяются сверхпроводники с нулевым электрическим сопротивлением и проводятся исследования сверхпроводящих диодов, которые имеют нулевое электрическое сопротивление только в определенном направлении тока. Предыдущие исследования показали, что для работы сверхпроводящих диодов необходимо внешнее магнитное поле, что затрудняет их практическое применение.

Ученые из ДВФУ совместно с иностранными коллегами предложили использовать нарушение зеркальной симметрии относительно пространственной инверсии при создании сверхпроводящего диода. Для этого в многослойную систему на основе ниобия (Nb) и ванадия (V), играющих роль сверхпроводящей среды, был введен слой ферромагнетика — кобальта (Co) толщиной 1,7 нм (см. Рис.). Полученная магнетронным напылением многослойная пленка подвергалась микрообработке для формирования микропроволоки, к которой методом фотолитографии были сформированы и подведены контакты для измерения электрического сопротивления. В ходе эксперимента внешнее магнитное поле прикладывалось в плоскости многослойной пленки в направлении, ортогональном току, и использовалось для управления направлением намагниченности слоя Co. Такая геометрия позволила исследовать зависимость электрического сопротивления от постоянного тока при изменении магнитного состояния ферромагнетика.

Рисунок — (а) Концептуальная схема эксперимента по изучению СДЭ в образцах, состоящих из многослойных пленок [Nb/V/Co/V/Ta]20. Симметрия относительно пространственной инверсии нарушается в направлении, перпендикулярном плоскости поверхности слоев, которое ортогонально приложенному току и внешнему магнитному полю. (b) Микрофотография устройства, состоящего из многослойной проволоки Nb/V/Co/V/Ta и контактов для измерения электрического сопротивления.

В результате в сверхрешетке Nb/V/Co/V/Ta сосуществуют не только сверхпроводимость и ферромагнетизм, но и есть возможность контролировать плотность тока, протекающего через микропроволоку, изменяя направление намагниченности слоя Co и полярность приложенного тока. Это позволило ученым продемонстрировать сверхпроводниковый диодный эффект в состоянии, когда нет внешних воздействий магнитным полем. При этом контролировать направление СДЭ можно с помощью изменения направления намагниченности слоя ферромагнетика.

Как сообщили в лаборатории спин-орбитроники ДВФУ, предложенный в статье метод нарушения симметрии сверхрешеток универсален и управляем, что дает основания для разработки и изучения новых материалов с высоким потенциалом практического использования в электронике и электротехнике. Но микроскопический механизм, с помощью которого СДЭ управляется магнетизмом, все еще неясен, и ожидается, что в будущем он будет установлен как экспериментальными, так и теоретическими подходами.

«Наша международная исследовательская команда работает над изучением новых физических явлений, возникающих на стыке магнетизма и сверхпроводимости. Первым совместным результатом стал новый метод по управлению сверхпроводниковым диодным эффектом. В своей работе мы впервые продемонстрировали возможность переключения направления сверхтока без использования внешнего магнитного поля. Это поможет упросить создаваемые функциональные элементы вычислительных и запоминающих устройств. Одним из препятствий, которые стоят на пути к реализации новых электронных приборов, является использование сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю. Однако уже сейчас сверхрешетки могут быть использованы для создания электронных компонентов, работающих в космосе. Если говорить про дальнейшие планы, то мы продолжим улучшать характеристики диодов, в том числе с использованием новых материалов», — отметил один из соавторов статьи, проректор по научной работе ДВФУ Александр Самардак.

Напомним, по программе мегагрантов национального проекта «Наука и университеты» в ДВФУ создали лабораторию спин-орбитроники мирового уровня. В ней уже сейчас разрабатывают научные и технологические основы нового поколения умной электроники для высокопроизводительных энергоэффективных вычислений и телекоммуникаций. На базе лаборатории планируют реализовать полный технологический цикл: от научно-исследовательских работ до испытаний и, возможно, опытного производства экспериментальных образцов трековой памяти и логических элементов для нового поколения электроники. Здесь же готовят новое поколение высококвалифицированных исследователей. Решаемые в лаборатории задачи полностью соответствуют задачам стратегического направления развития ДВФУ «Физика и материаловедение» в рамках программы «Приоритет 2030» национального проекта «Наука и университеты».

Результаты исследования опубликованы в Nature Nanotechnology.