Сверхпроводящий спиновый вентиль: три режима в одном устройстве

Сверхпроводящая спинтроника — это перспективное направление, объединяющее управление спином электрона с возможностью проводить ток без сопротивления. Такие технологии могут лечь в основу энергоэффективной памяти, логических элементов, сенсоров и компонентов для квантовых устройств. Однако до сих пор существовало серьезное ограничение: режим работы таких устройств жестко задавался свойствами материалов и геометрией структуры, и изменить его после изготовления было практически невозможно.

Новая модель с электрическим управлением

Ученые из МФТИ показали, что это ограничение можно обойти. Они разработали теоретическую модель сверхпроводящего спинового вентиля на основе вандерваальсовой гетероструктуры. Устройство состоит из сверхпроводящего монослоя, расположенного между двумя ферромагнитными монослоями (F/S/F). Сверхпроводимость в такой структуре зависит от взаимной ориентации намагниченности ферромагнитных слоев: при одних ориентациях она подавляется сильнее, при других — слабее.

Ключевая особенность новой модели — возможность управлять режимом работы вентиля с помощью затворного напряжения. Прикладывая напряжение к верхнему и нижнему ферромагнитным слоям, можно менять их химические потенциалы, что приводит к изменению электронных свойств. Это позволяет переключать вентиль между стандартным, инверсным и триплетным режимами.

Как это работает

Механизм переключения связан с гибридизацией электронных состояний ферромагнитных и сверхпроводящего слоев. Ферромагнетики индуцируют в сверхпроводнике эффективное обменное поле, которое может подавлять сверхпроводимость. Сила и знак этого поля зависят от того, насколько близки энергии электронов в различных слоях. Когда напряжение на затворе меняет химический потенциал ферромагнитного слоя, энергетические уровни сдвигаются, и эффективные поля от двух ферромагнитных слоев могут либо складываться, либо компенсировать друг друга.

В стандартном режиме сверхпроводимость сильнее подавляется при параллельной ориентации намагниченностей, в инверсном режиме — при антипараллельной, а в триплетном — при перпендикулярной ориентации, когда формируются особые триплетные сверхпроводящие корреляции.

Исследователи построили фазовые диаграммы, перебирая значения затворного напряжения для двух ферромагнитных слоев и отмечая области, где реализуется каждый из режимов. Они также рассчитали температурные зависимости сверхпроводящего параметра порядка и обнаружили богатое разнообразие нетривиальных состояний, включая возвратную сверхпроводимость и бистабильные состояния.

Работа опубликована в журнале Physical Review B и поддержана Российским научным фондом (проект № 24-12-00152) и Министерством науки и высшего образования РФ (грант № 075-15-2025-010).

Экспериментальная проверка модели вполне реалистична: уже известны двумерные ферромагнетики, такие как Fe₃GeTe₂ и VSe₂, а также двумерные сверхпроводники, включая NbSe₂ и MoS₂. Современные методы позволяют собирать вандерваальсовы гетероструктуры слой за слоем, а электростатическое управление химическим потенциалом является стандартным инструментом в физике двумерных материалов.

Потенциальные применения новой гетероструктуры охватывают создание энергоэффективных элементов памяти и логики, где состояние переключается напряжением, а также разработку новых компонентов для квантовых технологий.