超导自旋电子学中的新发现——磁效应基础机制

超导体-铁磁体双层膜在相互分离和接触时都具有磁效应的示意图。该图详细描述了超导体-铁磁体双层膜的磁效应。来源：Sergey Mironov

      利用电子自旋和磁化致使了自旋电子学新兴领域的产生。这可以增强计算机硬盘的存储容量，并可能在未来的量子计算中发挥重要作用。超导体 - 铁磁（SF）结构被广泛认为是这种超导自旋电子技术的构件。传统的自旋电子器件通常需要大电流，因此研究人员正在研究低电阻超导体的可行性。他们的研究可以解释有关SF结构如何相互作用这一长期存在的问题。

      最近一个国际研究团队在《Applied Physics Letters》中揭示了SF结构中远程电磁邻近效应的一般机制。他们解释说，SF相互作用导致了铁磁体向超导体强烈扩散的杂散磁场。该团队的研究结果有助于确定为什么铁磁薄膜将磁场转移到相应的超导体上的作用距离比理论值更长。

      该论文的作者Alexander Buzdin和Alexander Mel'nikov在一份联合声明中说：“我们希望我们的工作不仅可以解释现有的超导体 - 铁磁体结构的电动力学实验数据，而且还能为任何超导自旋电子学器件的电动力学分析奠定基础。”

      在自旋电子器件中，磁性层被用来改变和读取相邻导电材料中电子的自旋信号。在极低温超导自旋电子学中，被称为库珀对的束缚电子穿透铁磁层，进而加速了超导载体以在超导体中感应电流。

      科学家们此前认为，系统的超导和铁磁部件之间的相互作用仅发生在穿透相邻铁磁体的超导库珀对之间。 Buzdin解释了在正常的非超导金属的情况下，如磁场在从铁磁体到金属层的相反方向上的扩展仅在原子长度尺度上是可能的。Buzdin说：“对于超导材料，人们认为这种扩散的规模对应的是库珀对的大小，大约10纳米。”

      然而，最近其他研究团队的实验结果表明，超导体中的磁场可能比预期的大一个数量级。为了解决这个难题，该团队分别在其超导体和铁磁体组件接触之前和之后对SF双层系统进行了建模。他们发现，屏蔽电流伴随着穿透磁场，而这些杂散场在超导体的正常状态下是不存在的。

      通常用于描述局部磁场的磁矢量电势是超导体的杂散场区域中唯一的非零电磁特性。在这些条件下，在正常金属中通常不能观察到矢量势。这导致Buzdin及其同事得出结论：库珀对通过直接邻近效应渗透到铁磁体中，导致了铁磁体内部的超电流流动以及由此产生的超导元件内产生磁场的补偿超电流的出现。

      该团队计划进一步研究SF结构的电动力学，并利用他们的发现创造出新型的自旋阀，可用于磁传感器和计算机存储设备。