Generalmente hablando, el magnetismo y el flujo sin pérdidas de corriente eléctrica ("superconductividad") son fenómenos en competencia que no pueden coexistir en la misma muestra. Sin embargo, para construir supercomputadoras, La combinación sinérgica de ambos estados tiene importantes ventajas en comparación con la tecnología de semiconductores actual. caracterizado por un alto consumo de energía y producción de calor. Investigadores del Departamento de Física de la Universidad de Konstanz han demostrado ahora que es posible la transferencia eléctrica sin pérdidas de información codificada magnéticamente. Este hallazgo permite una mayor densidad de almacenamiento en chips de circuitos integrados y reduce significativamente el consumo de energía de los centros informáticos. Los resultados de este estudio han sido publicados en el número actual de la revista científica Comunicaciones de la naturaleza .

La miniaturización de la tecnología de semiconductores se acerca a sus límites físicos. Durante más de 70 años, El procesamiento de información en computadoras se ha realizado mediante la creación y transferencia de señales eléctricas, que libera calor residual. La disipación de calor da como resultado un aumento de temperatura en los bloques de construcción, cuales, Sucesivamente, requiere complejos sistemas de refrigeración. La gestión del calor es uno de los grandes retos de la miniaturización. Por lo tanto, Actualmente se realizan esfuerzos en todo el mundo para reducir el calor residual en el procesamiento de datos y telecomunicaciones.

Una colaboración en la Universidad de Konstanz entre el grupo de física experimental dirigido por la profesora Elke Scheer y el grupo de física teórica dirigido por el profesor Wolfgang Belzig utiliza un enfoque basado en el transporte de carga sin disipación en bloques de construcción superconductores. Los materiales magnéticos se utilizan a menudo para almacenar información. La información codificada magnéticamente puede, en principio, También se puede transportar sin producción de calor mediante el uso de espín de electrones en lugar de carga. Combinando el transporte de carga sin pérdidas de superconductividad con el transporte electrónico de información magnética, es decir., espintrónica, allana el camino para funcionalidades fundamentalmente novedosas para las futuras tecnologías de la información energéticamente eficientes.

Los investigadores de la Universidad de Konstanz han abordado un desafío importante asociado con este enfoque:el hecho de que en los superconductores convencionales, la corriente es transportada por pares de electrones con momentos magnéticos opuestos. Por lo tanto, estos pares no son magnéticos y no pueden transportar información magnética. El estado magnético, por el contrario, está formado por momentos magnéticos que se alinean en paralelo entre sí, suprimiendo así la corriente superconductora.

"La combinación de superconductividad, que funciona sin generación de calor, con espintrónica, transferir información magnética, no contradice ningún concepto físico fundamental, pero solo suposiciones ingenuas sobre la naturaleza de los materiales, "Dice Elke Scheer. Hallazgos recientes sugieren que al poner los superconductores en contacto con materiales magnéticos especiales, los electrones con espines paralelos pueden unirse a pares que transportan la supercorriente a distancias más largas a través de imanes. Este concepto puede permitir dispositivos electrónicos novedosos con propiedades revolucionarias.

Bajo la supervisión de Elke Scheer, El Dr. Simon Diesch realizó un experimento que aclara el mecanismo de creación de tales pares de electrones con orientación de espín paralelo. "Demostramos que es posible crear y detectar estos pares de electrones de espín alineados, Simon Diesch explica. El diseño del sistema y la interpretación de los resultados de la medición se basan en la tesis doctoral del Dr. Peter Machon en el campo de la física teórica, que se llevó a cabo bajo la supervisión de Wolfgang Belzig.

"Es importante encontrar materiales que permitan tales pares de electrones alineados. Por lo tanto, el nuestro no es solo un proyecto de física sino también de ciencia de materiales, ", dice Scheer. Investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) proporcionaron muestras hechas a medida que consisten en aluminio y sulfuro de europio. El aluminio es un superconductor muy bien investigado, permitiendo una comparación cuantitativa entre teoría y experimento. El sulfuro de europio es un aislante ferromagnético, una propiedad material importante para la realización del concepto teórico, que mantiene sus propiedades magnéticas incluso en capas muy delgadas de solo unos pocos nanómetros de espesor, como se usa aquí. Utilizando un microscopio de efecto túnel desarrollado en la Universidad de Konstanz, Las mediciones resueltas espacial y energéticamente del transporte de carga de las muestras de sulfuro de aluminio y europio se realizaron a bajas temperaturas. Al contrario de los instrumentos comerciales, El microscopio de barrido de túnel basado en el laboratorio de Scheer se ha optimizado para obtener la máxima resolución de energía y para funcionar en diferentes campos magnéticos.

La dependencia del voltaje del transporte de carga a través de las muestras es indicativa de la distribución de energía de los pares de electrones y permite una determinación precisa de la composición del estado superconductor. Para tal fin, Se aplicó una teoría desarrollada previamente por el grupo Belzig y adaptada para describir la interfaz aluminio-sulfuro de europio. Esta teoría permitirá a los investigadores describir circuitos eléctricos y muestras mucho más complejos en el futuro. Los espectros de energía predichos por la teoría concuerdan con los hallazgos experimentales, proporcionando prueba directa de los pares de electrones magnéticos.

Es más, la colaboración teórico-experimental resolvió las contradicciones existentes en cuanto a la interpretación de tales espectros. Con estos resultados, Los físicos de la Universidad de Konstanz esperan revelar el alto potencial de la espintrónica superconductora para mejorar o reemplazar la tecnología de semiconductores.