يعيد الفيزيائيون النظر في النموذج القياسي لتأثير القرب في الإلكترونيات السبينية فائقة التوصيل

عندما تتلامس طبقة رقيقة من الموصل الفائق مع مغناطيس حديدي، فإن بعض أزواج الإلكترون فائقة التوصيل “تتسرب” إلى المغناطيس، ويظهر فيه مزيج من الموصلية الفائقة (تأثير القرب المباشر)، وتتغير خصائص الموصل الفائق بدورها تحت تأثير المغناطيس الحديدي (تأثير القرب العكسي). يتجلى تأثير القرب العكسي بطريقتين رئيسيتين. أولاً، تصبح بعض الأزواج فائقة التوصيل ثلاثية – حيث تصطف سپينات إلكتروناتها على النقيض من الأزواج فائقة التوصيل العادية (المفردة). ثانيًا، يؤدي تأثير القرب العكسي إلى بعض الاختلاف في الطاقة بين الإلكترونات المغزلية لأعلى والإلكترونات المغزلية للأسفل، وهو نمط مشابه جدًا لتقسيم زيمان المعروف في المجال المغناطيسي. وهذا المظهر الثاني هو الذي أصبح أساس “النموذج الفعال” المقبول على نطاق واسع: يتم وصف البنية المتغايرة للموصل الفائق والمغناطيس الحديدي ببساطة على أنها موصل فائق متجانس في مجال تبادل فعال خارجي. هذا النموذج مناسب: فهو يسمح للواضعين النظريين بالحصول على تنبؤات واضحة في نموذج بسيط إلى حد ما، ويسمح للمجربين بالتحقق مباشرة من وجود أو عدم وجود تفاعل بين الموصل الفائق والمغناطيس الحديدي عن طريق وجود أو عدم وجود تبادل (زيمان) تقسيم القمم المتماسكة فائقة التوصيل في كثافة حالات الموصل الفائق (على سبيل المثال، عن طريق التحليل الطيفي النفقي). لقد كان يعتقد منذ فترة طويلة أن عدم وجود مثل هذا الانقسام في كثافة الحالات هو علامة موثوقة على عدم وجود الموصلية الفائقة والمغناطيسية في الهيكل قيد النظر. وعلى وجه الخصوص، لا توجد أزواج ثلاثية فائقة التوصيل تكمن وراء تأثيرات الإلكترونيات السبينية فائقة التوصيل. لقد كان هذا الاعتقاد الراسخ هو الذي شكك فيه الفيزيائيون من MIPT. أجرى المؤلفون تحليلًا تفصيليًا للهياكل المتغايرة ذات الأغشية الرقيقة الباليستية فائقة التوصيل والمغناطيسية الفائقة (S/F). وكشفت النتيجة عن تناقض صارخ بين سلوك الأنظمة ذات المغناطيسات الحديدية الموصلة (S/FM) والعوازل المغناطيسية الحديدية (S/FI). تم نشر المقال في مجلة Physical Review B، وتم دعم العمل بمنحة مؤسسة العلوم الروسية رقم 24-12-00152. في حالة العوازل، فإن تأثير القرب العكسي يخلق في الواقع انقسامًا متجانسًا واضحًا للأطياف الإلكترونية في الجزء فائق التوصيل من البنية المتغايرة. يتم وصف هذه الأنظمة بشكل مثالي من خلال النموذج الفعال الكلاسيكي. رسم تخطيطي للهيكل المتغاير للمغناطيس الفائق الموصل للأغشية الرقيقة. عرض لكثافة الحالات في الموصل الفائق مع أو بدون انقسام القمم المتماسكة فائقة التوصيل بسبب مجال التبادل / © Physical Review B تتصرف الأنظمة ذات المغناطيسات الحديدية الموصلة بشكل مختلف تمامًا. هنا، يشكل تأثير القرب العكسي تقسيمًا دورانيًا للأطياف، وهو أمر فوضوي بطبيعته: فهو يعتمد بشدة على زخم الإلكترون، وموقعه في الموصل الفائق، وله سعة لا يمكن التنبؤ بها. ولا تُظهر الكثافة المتكاملة للحالات أي انقسام مرئي، لأن الانقسامات المغزلية للإلكترونات الفردية لها سعات وعلامات زوجية مختلفة، ويتم حساب متوسطها و”غير واضحة”. وهذا يعني أن المجرب، الذي ينظر إلى كثافة حالات مثل هذا الهيكل، سيرى صورة “غير منقسمة” ويمكن أن يستنتج: “لا يوجد تأثير تقارب مع المغناطيس الحديدي، ولا توجد أزواج ثلاثية. لم ينجح شيء”. لكن هذا استنتاج خاطئ: على الرغم من عدم وجود انقسام واضح في كثافة الحالات، فإن الارتباطات الثلاثية في مثل هذه الهياكل حقيقية تمامًا ويمكن أن تكون مهمة جدًا؛ إنها ببساطة مخفية عن الملاحظة المتكاملة. يُظهر الفيزيائيون أيضًا مظهرًا محددًا لتلك الأزواج الثلاثية فائقة التوصيل التي تختبئ وراء تقسيم الدوران الفوضوي: في نظام به مغناطيسات حديدية موصلة، في غياب انقسام الذروة في كثافة الحالات (في نظام “لا يتنبأ فيه النموذج التقليدي” بأي شيء مثير للاهتمام)، يظهر تأثير صمام الدوران الواضح – اعتماد درجة الحرارة الحرجة للموصل الفائق على الاتجاه المتبادل لمغنطة المغناطيسات الحديدية الموجودة على جانبيه. بالإضافة إلى ذلك، فحص العمل تأثير القرب من المغناطيسات البديلة. تُظهِر المغناطيسات البديلة، وهي فئة جديدة تمامًا من المواد المغناطيسية التي تم اكتشافها مؤخرًا، عدم وجود مغنطة صافية (على غرار المغناطيسات المضادة)، ولكن في الوقت نفسه، يوجد انقسام الدوران في بنية النطاق الإلكتروني (يشبه جزئيًا المغناطيسات الحديدية). لقد تبين أن الفيزياء كلها تشبه تلك الموصوفة أعلاه. بنفس الطريقة، يمكن للمرء العمل بمفهوم المجال الفعال المستحث (المغناطيسي البديل هذه المرة) في الهياكل ذات العوازل المغناطيسية البديلة، وفي الهياكل ذات المغناطيسات البديلة الموصلة، يُلاحظ أيضًا السلوك الفوضوي تمامًا للخصائص “المغناطيسية البديلة المكتسبة” للأزواج فائقة التوصيل. يعد تصحيح الأساس النظري لوصف الأنظمة ذات المغناطيس الموصل أمرًا مهمًا ليس في حد ذاته فقط. إنه يفتح إمكانيات جديدة لتصميم أجهزة تخزين ومعالجة المعلومات فائقة التوصيل، وفي المقام الأول وصلات جوزيفسون وأنواع جديدة من صمامات الدوران، حيث يسمح لنا بالنظر في نطاق أوسع بكثير من المواد مما كنا نعتقد سابقًا. وفي المستقبل، قد يؤدي هذا إلى تسريع المسار نحو إنشاء منطق مبرد يعتمد على الموصلات الفائقة ــ وهو أحد البدائل الواعدة لإلكترونيات السيليكون في أبنية الحوسبة الموفرة للطاقة. علقت إيرينا بوبكوفا، رئيسة مختبر ظواهر الدوران في الهياكل والأجهزة النانوية فائقة التوصيل في MIPT: “لقد اعتدنا على حقيقة أنه إذا لم تشاهد انقسام القمم المتماسكة في قياسات النفق، فلن تكون هناك ارتباطات ثلاثية، وبشكل عام لا يوجد تأثير تقارب غير تافه. يُظهر عملنا أن هذه القاعدة لا تعمل مع الأنظمة ذات الطبقات المغناطيسية المعدنية. قد تكون هناك فيزياء غنية كامنة هناك لا يمكن الوصول إليها وهذا المعيار البسيط يغير وجهة نظرنا حول المواد التي ينبغي اعتبارها مرشحة لتطبيقات الإلكترونيات الدورانية. تعد الإلكترونيات السبينية فائقة التوصيل بأجهزة حاسوبية تعمل بسرعات أسرع بآلاف المرات من السيليكون بينما تستهلك طاقة لا تذكر. إن عمل علماء الفيزياء في معهد MIPT يزيل “النقطة العمياء” النظرية التي منعتنا من رؤية إمكانات فئة كاملة من المواد الواعدة.