Спинтроника — это направление электроники, которое вместо заряда электрона использует его спин, то есть собственный магнитный момент частицы. Сверхпроводящая спинтроника объединяет управление спином с прохождением тока без сопротивления: такие подходы обещают энергоэффективную память, логические элементы, сенсоры и компоненты для квантовых технологий. Но у устройств на этой основе есть принципиальное ограничение — их режим работы жестко задан свойствами материалов, толщиной слоев и геометрией структуры, и после изготовления изменить его почти невозможно.
Ученые из МФТИ предложили обойти это ограничение. В статье в журнале Physical Review B они описали теоретическую модель сверхпроводящего спинового вентиля на основе вандерваальсовой гетероструктуры — сверхпроводящего монослоя, зажатого между двумя ферромагнитными слоями (F/S/F). Сверхпроводимость в такой структуре зависит от взаимной ориентации намагниченностей ферромагнетиков: при одних ориентациях она подавляется сильнее, при других слабее, поэтому вентиль работает как переключатель. А приложив затворное напряжение к ферромагнитным слоям, можно менять их электронные свойства и переключать режим работы всей структуры.
В обычных гетероструктурах возможны три типа спин-вентильного эффекта: стандартный, когда сверхпроводимость сильнее подавляется при параллельных намагниченностях; инверсный, когда подавление максимально при противоположно направленных намагниченностях; и триплетный, когда сверхпроводимость немонотонно зависит от угла и минимум приходится на перпендикулярную ориентацию. Механизм переключения связан с тем, как электронные состояния ферромагнитных слоев гибридизуются со сверхпроводящим: ферромагнетики индуцируют в сверхпроводнике эффективное обменное поле, сила и знак которого зависят от близости энергетических уровней. Напряжение на затворе сдвигает эти уровни, и поля двух слоев либо складываются, либо компенсируют друг друга.
Чтобы доказать это, исследователи описали взаимодействие электронов в каждом слое и между слоями, затем смоделировали сверхпроводимость при параллельной, антипараллельной и неколлинеарной ориентациях намагниченностей. Меняя химические потенциалы ферромагнитных слоев, они имитировали действие затворов и построили фазовые диаграммы, отмечая области, где реализуется каждый из трех режимов. Дополнительно они рассчитали температурные зависимости сверхпроводящего параметра порядка и обнаружили необычные эффекты: вблизи максимальной гибридизации слоев возникают возвратная сверхпроводимость, бистабильные состояния и фазовые переходы первого рода, а сверхпроводящее состояние в ряде случаев существует лишь в конечном интервале температур.
Работа пока теоретическая, но авторы считают проверку реалистичной: уже известны двумерные ферромагнетики (Fe₃GeTe₂, VSe₂) и двумерные сверхпроводники (NbSe₂, MoS₂), а собирать вандерваальсовы структуры слой за слоем и управлять химическим потенциалом электростатикой умеют давно. Исследование поддержано Российским научным фондом и Министерством науки и высшего образования РФ. Возможные применения — энергоэффективные память и логика, переключаемые напряжением, а не магнитным полем; перестраиваемые сверхпроводящие кубиты для квантовых вычислений; и сверхчувствительные сенсоры, реагирующие на резкое появление или исчезновение сверхпроводимости.
