Các nhà nghiên cứu quan sát hiệu ứng diode siêu dẫn phổ biến trong màng siêu dẫn mỏng
Thiết kế đi-ốt SC bao gồm một lớp kép màng mỏng: màng cách điện sắt từ (vàng) trên đỉnh màng mỏng SC (xanh lam). Chất sắt từ bị từ hóa tạo ra trường viền (mũi tên màu lục) tạo ra dòng điện Meissner trong chất siêu dẫn ngay cả khi không có bất kỳ trường ứng dụng nào. Dòng điện Meissner này chạy theo cùng một hướng ở cả hai cạnh, do đó làm thay đổi dòng điện thực khi một điện áp được đặt theo một trong hai hướng. Do đó, dòng điện được sửa đổi dẫn đến dòng điện không tiêu tán (mũi tên vàng) chạy theo một hướng, trong khi dòng điện cảm thấy lực cản theo hướng ngược lại. Ảnh: Amith Varambaly, Yasen Hou và Hang Chi
Cái gọi là hiệu ứng diode siêu dẫn (SC) gần đây đã thu hút sự chú ý đáng kể trong cộng đồng nghiên cứu vật lý, do giá trị tiềm năng của nó để phát triển các công nghệ mới. Hiệu ứng này cung cấp một ví dụ quan trọng về tính siêu dẫn không tương hỗ, vì các vật liệu chứa nó về cơ bản là siêu dẫn theo một hướng dòng điện và điện trở theo hướng khác.
Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) phối hợp với IBM Research Europe và các viện nghiên cứu khác trên toàn thế giới gần đây đã quan sát thấy hiệu ứng thú vị này trong các màng mỏng của vật liệu siêu dẫn. Những phát hiện của họ, được trình bày trong Physical Review Letters, có thể cho phép chế tạo các linh kiện điện tử mới, chẳng hạn như đi-ốt hoạt động tốt hơn (tức là thiết bị cho phép dòng điện chạy theo một hướng cụ thể).
Jagadeesh Moodera, một trong những nhà nghiên cứu thực hiện nghiên cứu, nói: "Việc chúng tôi phát hiện ra hiệu ứng đi-ốt SC theo một cách tình cờ, đồng thời cũng gây ngạc nhiên không kém". "Chúng tôi đã (và vẫn đang) nghiên cứu các trạng thái giới hạn Majorana khó nắm bắt, còn được gọi là các fermion Majorana, xuất hiện trên bề mặt vàng siêu dẫn bằng cách sử dụng cấu trúc chồng màng mỏng tương tự. Chúng tôi đã đi đường vòng để tìm kiếm 'nhanh' hiện tượng này ( hiệu ứng đi-ốt siêu dẫn) đột nhiên thu hút sự chú ý, với một số báo cáo mới về chủ đề này xuất hiện kể từ năm 2020."
Chỉ vài ngày sau khi Moodera và các đồng nghiệp của ông bắt đầu nghiên cứu hiệu ứng diode SC, họ đã quan sát thành công nó trong các màng siêu dẫn mỏng. Ban đầu, họ đặc biệt cố gắng quan sát hiệu ứng trong các điều kiện được biết là thuận lợi, cụ thể là khi các chất siêu dẫn chịu tác động của quỹ đạo quay và trường trao đổi. Tuy nhiên, họ sớm nhận ra rằng hiệu ứng này phổ biến ở các lớp siêu dẫn, nghĩa là nó xảy ra theo bất kỳ cách nào, ngay cả khi không có các trường này.
Moodera giải thích: “Hóa ra là hoạt động ghi lại đi-ốt trong chất siêu dẫn có thể được thực hiện bằng cách điêu khắc đơn giản các cạnh của nó, và do đó tạo cơ sở cho việc dễ dàng mở rộng quy mô của bộ nhớ, công tắc, logic, v.v., công nghệ thiết bị siêu dẫn hiệu quả trong tương lai”. "Đáng chú ý là chỉ ra rằng hai học sinh trung học đã tiến hành nghiên cứu tại MIT trong mùa hè, đó là Amith Verambally và Ourania Glezakou-Ebert, là công cụ cho nghiên cứu này. Công trình này nhấn mạnh thêm rằng nghiên cứu đột phá xảy ra khi ít được mong đợi nhất, khi rảnh rỗi để khám phá, với tâm trí cởi mở!"
Chất siêu dẫn là vật liệu trở nên siêu dẫn (nghĩa là chúng có thể dẫn dòng điện một chiều mà không mất năng lượng) khi được làm lạnh xuống nhiệt độ đủ thấp. Nói cách khác, những vật liệu này chứa dòng điện không tiêu tán, chạy qua chúng với điện trở bằng không cho đến giá trị cực đại, được gọi là dòng điện tới hạn.
Khi hiệu ứng đi-ốt SC xảy ra, dòng điện tới hạn này sẽ khác đi dựa trên hướng của nó (nghĩa là dòng điện chạy xuôi hay ngược bên trong vật liệu). Mục tiêu chính trong nghiên cứu của các nhà nghiên cứu là thăm dò hiệu ứng này trong các lớp vật liệu siêu dẫn mỏng.
Akashdeep Kamra và Yasen Hou giải thích: “Chúng tôi đã chế tạo màng SC chất lượng cao với một lớp bán dẫn sắt từ phủ lên trên và đo các đặc tính dòng vận chuyển đã tìm thấy hiệu ứng đi-ốt SC cực lớn mà không cần từ trường ứng dụng”. "Chúng tôi nhận ra rằng các chi tiết hình học tinh xảo của các mặt trong các dải phim có hoa văn in thạch bản của chúng tôi đóng vai trò quan trọng trong hiệu ứng đi-ốt này. Vì vậy, chúng tôi đã tổng hợp thậm chí chỉ đơn giản là phim SC và đưa vào tính không đồng nhất ở một trong các mặt, tạo ra sự bất đối xứng hơn nữa, để tăng cường hiệu ứng diode SC."
Thiết kế đi-ốt SC minh họa ở trên hoạt động khi một từ trường nhỏ (màu xanh lá cây) được áp dụng cho màng mỏng SC (màu xanh lam) do đó tạo ra dòng điện sàng lọc Meissner chạy quanh các cạnh. Điều này, cùng với sự bất đối xứng biên được thiết kế của chất siêu dẫn, dẫn đến sự bất đối xứng dòng điện tới hạn. Bằng cách đặt điện áp theo một trong hai hướng, dòng điện không tiêu hao chạy theo một hướng (màu vàng), trong khi dòng điện có điện trở cao chạy theo hướng ngược lại (màu hạt dẻ). Ảnh: Amith Varambaly, Yasen Hou và Hang Chi
Thật thú vị, các vật liệu được sử dụng với nghiên cứu điều chỉnh tính không đồng nhất của cạnh phần lớn được thiết kế bởi hai học sinh trung học tham dự một chương trình mùa hè tại MIT, dưới sự giám sát của Hou và Moodera. Các thiết kế sáng tạo của họ đã góp phần rất lớn vào việc nhóm quan sát thấy hiệu ứng đi-ốt SC được nâng cao hơn nữa.
Patrick Lee cho biết: “Trong vài năm qua đã có một số báo cáo về hiệu ứng diode siêu dẫn trên các hệ thống đa lớp khá phức tạp, với những diễn giải chủ yếu dựa trên khái niệm về sự ghép cặp Cooper động lượng hữu hạn”. "Các thành phần là từ trường hoặc sự tương tác từ hóa và quỹ đạo quay để thiết kế một màng SC độc đáo. Một thiết lập tương đối đơn giản là kẹp một màng SC giữa một lớp sắt từ để tạo ra từ hóa và một kim loại nặng chẳng hạn như Pt để tạo ra quỹ đạo quay khớp nối. Chúng tôi quan tâm đến việc thử nghiệm đề xuất này."
Như họ đã dự đoán, Moodera, Hou, Kamra, Lee và các đồng nghiệp của họ đã quan sát thấy hiệu ứng đi-ốt SC trong các cấu trúc giống như bánh sandwich mà họ đã cẩn thận tạo ra. Để xác định xem thiết kế giống bánh sandwich này có phải là chìa khóa kích hoạt hiệu ứng hay không, sau đó họ tạo ra các mẫu siêu dẫn mỏng có kiểm soát mà họ cho rằng sẽ không thể hiện hiệu ứng này. Tuy nhiên, trước sự ngạc nhiên lớn của họ, các mẫu đối chứng này thể hiện hiệu ứng đi-ốt SC mạnh không kém.
Lee giải thích: “Chúng tôi thấy rằng kim loại nặng Pt cũng như khớp nối trao đổi giữa sắt từ và SC đều không cần thiết: hiệu ứng được điều khiển bởi trường viền ở rìa của sắt từ. "Cuối cùng, chúng tôi phát hiện ra rằng chúng tôi có thể loại bỏ hoàn toàn sắt từ, và một màng SC duy nhất chịu một trường vuông góc rất nhỏ sẽ biểu hiện hiệu ứng đi-ốt. Nguồn gốc của hiệu ứng này liên quan đến việc ghim xoáy gần mép. Khi chúng tôi hiểu điều đó, chúng tôi cố tình tạo ra một cạnh lởm chởm trên một mặt của phim và quan sát thấy hiệu ứng đi-ốt rất lớn."
Để hiểu rõ hơn về những quan sát của họ, các nhà nghiên cứu sau đó đã xem xét các tài liệu trước đây về chủ đề này. Họ phát hiện ra rằng mặc dù các nghiên cứu trước đây thảo luận về một số tính chất vật lý cơ bản của hiệu ứng đi-ốt SC, nhưng chúng thường làm như vậy một cách thiếu tổ chức và phân tán.
Lee nói: “Những bài báo này đã thoát khỏi sự chú ý của hàng loạt bài báo gần đây về chủ đề này. "Vì vậy, ngoài việc tạo ra các hiệu ứng đi-ốt phá kỷ lục theo một cách rất đơn giản, chúng tôi cũng đặt công trình gần đây vào đúng ngữ cảnh. Do đó, bất kỳ tuyên bố nào về hiệu ứng mới đều phải thực hiện việc loại bỏ các tính năng 'phổ biến' mà chúng tôi đã tìm thấy. "
Công trình gần đây của nhóm các nhà nghiên cứu này đã xác định một cách hiệu quả tính chất vật lý của hiệu ứng đi-ốt SC trong các màng SC mỏng, cho thấy rằng nó không phải là kết quả của một loại cơ chế ghép nối Cooper khác. Ngược lại, nó gợi ý rằng hiệu ứng diode SC rất dễ nhận ra và được liên kết với các đặc tính vốn có cơ bản của vật liệu SC, vốn đã được biết đến trong nhiều thập kỷ.
Trong tương lai, những phát hiện được thu thập bởi Moodera, Hou, Kamra, Lee và các đồng nghiệp của họ có thể cho phép phát triển các điốt SC mới và hiệu suất cao. Ngoài việc dựa trên các vật liệu mỏng và do đó dễ thu nhỏ kích thước hơn, các điốt này có thể dễ dàng chế tạo và đạt hiệu quả cao.
Kamra, Hou, Lee và Moodera cho biết thêm: “Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi không thể xác định và hiểu cơ chế xuất hiện hiệu ứng diode SC khi từ trường được đặt dọc theo hướng dòng điện. "Đây vẫn là một thách thức hấp dẫn và nổi bật đối với chúng tôi và cộng đồng khoa học. Chúng tôi muốn tìm hiểu điều này trong tương lai.
"Đồng thời, từ góc độ thiết bị, chúng tôi muốn xác định sự phụ thuộc vào nhiệt độ và tần số của hiệu ứng đi-ốt SC để điều này có thể được mở rộng sang các chất siêu dẫn nhiệt độ cao hơn bên cạnh việc hình dung ra khả năng tính toán mạnh mẽ và nhanh chóng."
