Generellt, magnetism och det förlustfria flödet av elektrisk ström ("supraledning") är konkurrerande fenomen som inte kan samexistera i samma prov. Dock, för att bygga superdatorer, att kombinera båda staterna synergetiskt med stora fördelar jämfört med dagens halvledarteknologi, kännetecknas av hög strömförbrukning och värmeproduktion. Forskare från institutionen för fysik vid universitetet i Konstanz har nu visat att förlustfri elektrisk överföring av magnetiskt kodad information är möjlig. Detta fynd möjliggör förbättrad lagringstäthet på integrerade kretschips och minskar avsevärt energiförbrukningen för datacentraler. Resultaten av denna studie har publicerats i det aktuella numret av den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation .

Miniatyriseringen av halvledarteknik närmar sig sina fysiska gränser. I mer än 70 år har informationsbehandling i datorer har realiserats genom att skapa och överföra elektriska signaler, som släpper ut värmeavfall. Värmeavledning resulterar i en temperaturökning i byggstenarna, som, i tur och ordning, kräver komplexa kylsystem. Värmehantering är en av de stora utmaningarna inom miniatyrisering. Därför, För närvarande görs ansträngningar över hela världen för att minska spillvärmen i databehandling och telekommunikation.

Ett samarbete vid universitetet i Konstanz mellan den experimentella fysikgruppen som leds av professor Elke Scheer och den teoretiska fysikgruppen som leds av professor Wolfgang Belzig använder ett tillvägagångssätt baserat på avledningsfri laddningstransport i supraledande byggstenar. Magnetiska material används ofta för lagring av information. Magnetiskt kodad information kan, i princip, även transporteras utan värmeproduktion med elektronspinn istället för laddning. Genom att kombinera förlustfri laddningstransport av supraledning med elektronisk transport av magnetisk information, d.v.s. spintronics, banar väg för grundläggande nya funktioner för framtida energieffektiv informationsteknik.

Forskarna vid Konstanz universitet har tagit upp en stor utmaning i samband med detta tillvägagångssätt:det faktum att i konventionella superledare, strömmen bärs av elektronpar med motsatta magnetmoment. Dessa par är därför omagnetiska och kan inte bära magnetisk information. Det magnetiska tillståndet, däremot, bildas av magnetiska moment som är parallella med varandra, därigenom undertrycka supraledande ström.

"Kombinationen av supraledning, som fungerar utan värmeproduktion, med spintronics, överföring av magnetisk information, motsäger inte några grundläggande fysiska begrepp, men bara naiva antaganden om materialens natur, "Säger Elke Scheer. De senaste fynden tyder på att genom att ta superledare i kontakt med speciella magnetiska material, elektroner med parallella snurr kan bindas till par som bär överströmmen över längre sträckor genom magneter. Detta koncept kan möjliggöra nya elektroniska enheter med revolutionerande egenskaper.

Under överinseende av Elke Scheer, Dr Simon Diesch utförde ett experiment som klargör skapandemekanismen för sådana elektronpar med parallell spinnorientering. "Vi visade att det är möjligt att skapa och upptäcka dessa spinninriktade elektronpar, "Simon Diesch förklarar. Systemets utformning och tolkningen av mätresultaten bygger på doktoravhandlingen från Dr. Peter Machon inom teoretisk fysik, som genomfördes under överinseende av Wolfgang Belzig.

"Det är viktigt att hitta material som möjliggör sådana inriktade elektronpar. Vårt är därför inte bara en fysik utan också ett materialvetenskapligt projekt, "säger Scheer. Forskare från Karlsruhe Institute of Technology (KIT) levererade skräddarsydda prover som består av aluminium och europiumsulfid. Aluminium är en mycket väl undersökt superledare, möjliggör en kvantitativ jämförelse mellan teori och experiment. Europiumsulfid är en ferromagnetisk isolator, en viktig materiell egenskap för förverkligandet av det teoretiska konceptet, som bibehåller sina magnetiska egenskaper även i mycket tunna lager med bara några nanometer i tjocklek, som används här. Med hjälp av ett skanningstunnelmikroskop som utvecklats vid universitetet i Konstanz, rumsligt och energiskt upplösta mätningar av laddningstransporten av aluminium-europiumsulfidprover utfördes vid låga temperaturer. I motsats till kommersiella instrument, skanningstunnelmikroskopet baserat på Scheer-labbet har optimerats för ultimat energiupplösning och för drift i olika magnetfält.

Spänningsberoendet för laddningstransporten genom proverna indikerar elektronfördelningens energifördelning och möjliggör noggrann bestämning av det superledande tillståndets sammansättning. För detta ändamål, en teori som tidigare utvecklats av Belzig-gruppen och skräddarsydd för att beskriva gränssnittet aluminium-europiumsulfid tillämpades. Denna teori kommer att göra det möjligt för forskarna att beskriva mycket mer komplexa elektriska kretsar och prover i framtiden. De energispektra som teorin förutsäger stämmer överens med de experimentella fynden, ger direkt bevis på de magnetiska elektronparen.

Vidare, det experimentellt-teoretiska samarbetet löste befintliga motsättningar beträffande tolkningen av sådana spektra. Med dessa resultat, Universitetet i Konstanz fysiker hoppas kunna avslöja den höga potentialen hos supraledande spintronik för att förbättra eller ersätta halvledarteknik.