Parlando in generale, il magnetismo e il flusso senza perdite di corrente elettrica ("superconduttività") sono fenomeni in competizione che non possono coesistere nello stesso campione. Però, per la costruzione di supercomputer, la combinazione sinergica di entrambi gli stati comporta notevoli vantaggi rispetto all'odierna tecnologia dei semiconduttori, caratterizzato da un elevato consumo energetico e produzione di calore. I ricercatori del Dipartimento di Fisica dell'Università di Costanza hanno ora dimostrato che è possibile il trasferimento elettrico senza perdite di informazioni codificate magneticamente. Questa scoperta consente una maggiore densità di archiviazione sui chip dei circuiti integrati e riduce significativamente il consumo energetico dei centri di calcolo. I risultati di questo studio sono stati pubblicati nell'attuale numero della rivista scientifica Comunicazioni sulla natura .

La miniaturizzazione della tecnologia dei semiconduttori si sta avvicinando ai suoi limiti fisici. Da più di 70 anni, l'elaborazione delle informazioni nei computer è stata realizzata creando e trasferendo segnali elettrici, che rilascia calore disperso. La dissipazione del calore provoca un aumento della temperatura negli elementi costitutivi, quale, a sua volta, richiede complessi sistemi di raffreddamento. La gestione del calore è una delle grandi sfide della miniaturizzazione. Perciò, sono attualmente compiuti sforzi in tutto il mondo per ridurre il calore disperso nell'elaborazione dei dati e nelle telecomunicazioni.

Una collaborazione presso l'Università di Costanza tra il gruppo di fisica sperimentale guidato dal professor Elke Scheer e il gruppo di fisica teorica guidato dal professor Wolfgang Belzig utilizza un approccio basato sul trasporto di carica senza dissipazione in blocchi superconduttori. I materiali magnetici sono spesso utilizzati per l'archiviazione delle informazioni. Le informazioni codificate magneticamente possono, in linea di principio, essere anche trasportato senza produzione di calore utilizzando lo spin dell'elettrone invece della carica. Combinando il trasporto di carica senza perdite della superconduttività con il trasporto elettronico di informazioni magnetiche, cioè., spintronica, apre la strada a funzionalità fondamentalmente nuove per le future tecnologie dell'informazione efficienti dal punto di vista energetico.

I ricercatori dell'Università di Costanza hanno affrontato una sfida importante associata a questo approccio:il fatto che nei superconduttori convenzionali, la corrente è trasportata da coppie di elettroni con momenti magnetici opposti. Queste coppie sono quindi non magnetiche e non possono trasportare informazioni magnetiche. Lo stato magnetico, al contrario, è formato da momenti magnetici che sono allineati in parallelo tra loro, sopprimendo così la corrente superconduttiva.

"La combinazione di superconduttività, che funziona senza generazione di calore, con spintronica, trasferimento di informazioni magnetiche, non contraddice alcun concetto fisico fondamentale, ma solo ingenue supposizioni sulla natura dei materiali, " dice Elke Scheer. Recenti scoperte suggeriscono che portando i superconduttori a contatto con speciali materiali magnetici, gli elettroni con spin paralleli possono essere legati a coppie che trasportano la supercorrente su distanze maggiori attraverso i magneti. Questo concetto può consentire nuovi dispositivi elettronici con proprietà rivoluzionarie.

Sotto la supervisione di Elke Scheer, Il Dr. Simon Diesch ha eseguito un esperimento che chiarisce il meccanismo di creazione di tali coppie di elettroni con orientamento di spin parallelo. "Abbiamo dimostrato che è possibile creare e rilevare queste coppie di elettroni allineati allo spin, " Spiega Simon Diesch. La progettazione del sistema e l'interpretazione dei risultati della misurazione si basano sulla tesi di dottorato del Dr. Peter Machon nel campo della fisica teorica, che è stato condotto sotto la supervisione di Wolfgang Belzig.

"È importante trovare materiali che consentano tali coppie di elettroni allineate. Il nostro non è quindi solo un progetto di fisica ma anche di scienza dei materiali, " afferma Scheer. I ricercatori del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) hanno fornito i campioni su misura costituiti da alluminio ed europiosolfuro. L'alluminio è un superconduttore molto ben studiato, consentire un confronto quantitativo tra teoria ed esperimento. L'europiosolfuro è un isolante ferromagnetico, una proprietà materiale importante per la realizzazione del concetto teorico, che mantiene le sue proprietà magnetiche anche in strati molto sottili di pochi nanometri di spessore, come usato qui. Utilizzando un microscopio a scansione a effetto tunnel sviluppato presso l'Università di Costanza, misure risolte spazialmente ed energeticamente del trasporto di carica dei campioni di alluminio-europiosolfuro sono state eseguite a basse temperature. Contrariamente agli strumenti commerciali, il microscopio a scansione-tunnel del laboratorio Scheer è stato ottimizzato per la massima risoluzione energetica e per il funzionamento in campi magnetici variabili.

La dipendenza dalla tensione del trasporto di carica attraverso i campioni è indicativa della distribuzione energetica delle coppie di elettroni e consente una determinazione accurata della composizione dello stato superconduttore. A tal fine, è stata applicata una teoria precedentemente sviluppata dal gruppo Belzig e adattata per descrivere l'interfaccia alluminio-europiosolfuro. Questa teoria consentirà ai ricercatori di descrivere circuiti elettrici e campioni molto più complessi in futuro. Gli spettri energetici previsti dalla teoria concordano con i risultati sperimentali, fornendo una prova diretta delle coppie magnetiche di elettroni.

Per di più, la collaborazione teorico-sperimentale ha risolto le contraddizioni esistenti riguardo all'interpretazione di tali spettri. Con questi risultati, i fisici dell'Università di Costanza sperano di rivelare l'alto potenziale della spintronica superconduttiva per migliorare o sostituire la tecnologia dei semiconduttori.