می‌توان جریانی از الکترون‌های هم‌ترازشده را برای بهبود نظم مغناطیسی و ابررسانایی در ابررساناهای بر پایه آهن استفاده کرد.

شکل 1: Choi و هم‌کاران [1]، با استفاده از جریان اسپینی، نظم مغناطیسی را در ابررساناهای بر پایه آهن Sr2VO3FeAs بهبود بخشیدند. آن‌ها این جریان اسپین را به وسیله نوک پروب مغناطیسی STM (مثلث خاکستری) ایجاد کردند. پیش از اعمال جریان، اسپین اتم‌های آهن (کره‌های آبی) در الگویی مرتب شده‌اند که دارای تقارن چرخشی درجه دو است (سمت چپ)؛ برای وضوح بیشتر الگوی اسپینی از بالا نشان داده شده است. بعد از آن‌که جریان اعمال شد، نظم مغناطیسی به صورت تقارن چرخشی درجه چهار تغییر می‌کند (سمت راست). [Credit: S. Choi et al., Phys. Rev. Lett. (2017) and APS/Alan Stonebraker]

در سال 1996، Luc Berger و John Slonczewski [1]، روشی را ابداع کردند که در آن از جریان الکتریکی برای معکوس کردن مغناطیدگی لایه نازکی از فلز استفاده می‌شد. روش کار به صورت اعمال جریانی از الکترون‌ها با اسپین‌های هم‌ترازشده در یک‌ جهت بود: «جریان اسپینی» در هنگام عبور از لایه نازک، بر مغناطیدگی لایه نازک گشتاوری با شدت کافی اعمال می‌کرد که می‌توانست آن را بچرخاند. آزمایش‌گران خیلی زود اثر سوئیچینگ مورد انتظار را [2] نشان دادند که علاوه بر فواید دیگر، به بازخوانی حافظه‌ها منتهی می‌شد. حافظه‌ها وسایلی هستند که از جریان اسپین برای جابه‌جایی و جایگذاری اطلاعات در حوزه‌های مغناطیسی بسیار کوچک استفاده می‌کنند [3]. Seokhwan Choi از موسسه علوم و فن‌آوری پیشرفته کره و هم‌کارانش از نوع دیگری از اثر سوئیچینگ جریان اسپینی پرده برداشتند، این بار در ابررساناهای بر پایه آهن [4]. پژوهشگران نشان دادند این جریان می‌تواند برای بهبود دو پدیده استفاده شود: مغناطیس و ابررسانایی، که هر دو در کنار هم در ماده حضور پیدا می‌کنند. هم‌چنان که Berger  و  Slonczewski پیش‌بینی کردند، به انواع وسایل و آزمایش‌های دیگر منجر شد.

غالباً تصور می‌شود که مغناطیس و ابررسانایی با یکدیگر در ستیز هستند. این دیدگاه منطقی است زیرا مغناطیدگی معمولاً گشتاورهای مغناطیسی تمرکزیافته‌ای ایجاد می‌کند که می‌تواند در ماده ابررسانا به طور ظریفی میان جفت الکترون‌ها با اسپین بالا و پایین (زوج‌های کوپر) جدایی بیندازد [5]. اما مغناطیس و ابررسانایی مجبور نیستند باهم ناسازگار باشند. مثالی برای حد کرانی این موضوع، ابررسانایی دوباره داخل‌شونده است [6]، که در آن ماده‌ای مغناطیسی در حضور میدان مغناطیسی قوی تبدیل به ابررسانا می‌شود [7]. ابررساناهای بر پایه آهن که Choi و هم‌کارانش مورد بررسی قرار دادند، با نام پینیکتیدهای (pnictides) آهن شناخته می‌شوند، مثال دیگری در این زمینه است. در این مواد، ابررسانایی و مغناطیس می‌توانند با هم وجود داشته باشند. حال این‌که این امر پدیده‌ای اتفاقی است یا واقعیتی قابل توجه، جای بحث دارد. پینیکتیدهای آهن در رده ابررساناهای دمای بالا (high- Tc) قرار می‌گیرد زیرا الکترون‌های آن‌ها در دمایی بسیار بالاتر از آن‌چه در نظریه ابررسانایی عادی انتظار می رود، جفت می‌شود. با وجود آن‌که برخی‌ها معتقدند ابررسانایی دمای بالا ناشی از جفت شدن الکترون‌ها به نوسانات قطبش اسپین است که غالباً مربوط به مغناطیس می‌باشد، این ایده را باید به صورت تجربی اثبات نمود.

پژوهش Choi و هم‌کارانش گامی به سوی بهره بردن هم‌زمان از ویژگی‌های مغناطیس و ابررسانایی است. این گروه با Sr2VO3FeAs کار کردند. همانند خیلی از پینیکتیدهای دیگر، اتم‌های آهن این ترکیب (Fe)، که مغناطیسی هستند، در لایه اتمی مجزایی قرار می‌گیرند (شکل 1، وسط). پژوهش‌های پیشین نشان دادند در دمای 5 کلوین، دمای کاری آزمایش‌های  Choi و هم‌کارانش، اسپین‌های اتم‌های آهن به شکلی که C2 نام دارد، مرتب می‌شود، که این نام‌گذاری به دلیل تقارن چرخشی درجه دو آن است (شکل 1، سمت چپ). پژوهش‌گران دریافتند مطابق این مشاهدات، هنگامی که سطح Sr2VO3FeAs را با سر پروب STM (میکروسکوپ تونلی روبشی) اسکن کنند، در آرایش اتم‌های سطحی، ساختارهای نوار-مانندی دیده می‌شود. با این حال، وقتی پژوهش‌گران جریان اسپنی کاملاً بزرگی را به درون ماده تزریق می‌کردند، تقارن چرخشی درجه دو این ساختارها به تقارن چرخشی درجه چهار تبدیل می‌شد. در این‌جا جریان اسپینی با تجهیز کردن STM به یک سَریِ مغناطیسی تأمین شد. از این جا، پژوهش‌گران نتیجه گرفتند اسپین‌های آهن الگویی را شکل می‌دهد که C4 نام دارد، که تقارن چرخشی درجه چهار نیز دارد (شکل 1، سمت راست). این الگو پادفرومغناطیس است، یعنی نیمی از اسپین‌ها به یک سمت جهت‌گیری می‌کنند و نیم دیگر به سمت جهت مخالف.

این یافته، که جریان اسپنی از STM گشتاور موردنیاز برای تغییر نظم مغناطیسی را از حالت درجه 2 (C2) به درجه 4 (C4) تأمین می‌کند، خود یافته‌ای جدید و دور از انتظار است. اما پژوهش‌گران با استفاده از STM برای اندازه‌گیری ویژگی‌های الکترونی سطح Sr2VO3FeAs در دماهای مختلف و قطبش‌های متفاوت جریان اسپین، چیزهای بیشتری آموختند. برای مثال،‌ وقتی سر پروب STM در جاهای مختلف سطح قرار می‌گرفت، آن‌ها چگالی الکترونی حالت‌ها را شناسایی کردند که مستلزم اندازه‌گیری جریان تونلی میان سطح و سر پروب، به صورت تابعی از ولتاژ میان آن‌ها بود. Choi و هم‌کارانش، با مقایسه ویژگی‌ها در این طیف الکترونی STM با مدلها، دریافتند که گاف ابررسانا، که معیاری برای قدرت زوج‌های کوپر در ابررسانا است، در نواحی با الگوی C4 کوچک‌تر از گاف ابررسانا در نواحی C2 است. بنابراین، جمع‌بندی آنان چنین شد که مغناطیس C4 ابررسانایی را از بین می‌برد.

یافتن این رابطه مستقیم میان ابررسانایی و مغناطیس، برای کسانی که به دنبال یافتن توضیحی برای ابررساناهای دمای بالا هستند، خبری هیجان‌انگیز است. اما باید خاطرنشان کرد که Choi و هم‌کارانش نظم پادفرومغناطیس یا ابررسانایی را مستقیماً مشاهده نکردند. اثبات قطعی پادفرومغناطیس بودن، مستلزم اندازه‌گیری تغییرات اسپین با دقت اتمی است. به همین صورت، برای تأیید آن‌که طیف الکترونی STM، که Choi‌ و هم‌کارانش به دست آوردند، واقعاً به گاف ابررسانایی حساس است، یک نفر باید به طور مستقیم اندازه گاف را مورد بررسی و مطالعه قرار دهد. این کار را می‌توان با یک نوع STM اصلاح شده که سر پروب آن ابررسانا است،‌ انجام داد [8].

با دانستن دقیق ماهیت‌های نظم مغناطیسی و نظم ابررسانایی، اثراتی را که Choi و هم‌کارانش مشاهده کردند، می‌تواند تمامی انواع وسایل و آزمایش‌ها را به ذهن متبادر کند، ‌نه فقط آن‌هایی که به واقع قابل انجام است. برای مثال، یک ایده عملی می‌تواند کنترل و تنظیم جریان اسپین برای «نوشتن» اطلاعات روی اشیائی در ابعاد نانو است، که در آن از جریان برای چرخاندن یک ناحیه مغناطیسی از یک حالت نظم به حالتی دیگر، یا برای خاموش و روشن کردن ابررسانایی استفاده می‌شود. کاربرد دیگر می‌تواند استفاده از جریان برای ایجاد ناحیه کوچک مغناطیسی ولی غیرابررسانا،‌ در ماده است که این ماده می‌تواند دو ناحیه ابررسانا را به طور ضعیف به یکدیگر بچسباند. از چنین مجموعه‌ای می‌‌توان برای ساخت وسایل الکترونیکی ابررسانای قابل تغییر بهره برد. در حوزه فیزیک بنیادی، توانایی کنترل مکانی مغناطیس و ابررسانایی با یک STM، که Choi و هم‌کارانش نشان دادند،‌ می‌تواند به پژوهش‌گران برای مطالعه این فازهایی که سازش‌ناپذیر به نظر می‌رسند و نحوه حضور هم زمان آن‌ها در پینیکتیدهای آهن کمک کند. و احتمالاً این گونه اندازه‌گیری‌ها به ما خواهد گفت که تا چه حد مغناطیس (در صورت وجود) عنصری ضروری در ابررسانایی دمای بالا است.

این مقاله در نشریه Physical Review Letters منتشر شده است.

نویسنده:  Dirk van der Marelاستاد تمام فیزیک دانشکده فیزیک ماده چگال دانشگاه ژنو از سال 2003 است. وی دکترای خود را در سال 1985 از دانشگاه گرونینگن گرفت. بعد از پژوهش‌ پسادکترا در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی فیلیپس، برای استادیار شدن به دانشگاه دلفت رفت و در سال 1992 استاد تمام دانشگاه گرونینگن شد. او یکی از دانشمندان موسسه ماکس پلانک در اشتوتگارت و دانشگاه استنفورد است که افراد می‌توانند با وی ملاقات کنند. علایق پژوهشی او طیف‌سنجی اپتیکی و ویژگی‌های الکترونی سامانه‌های الکترونی است که به شدت به یکدیگر هم‌بسته هستند. در سال 2016 وی جایزه فرانک ایزاکسون APS را برای اثرات اپتیکی در جامدات دریافت کرد.

منبع:  Order on Command

مراجع:

1. L. Berger, “Emission of Spin Waves by a Magnetic Multilayer Traversed by a Current,” Phys. Rev. B 54, 9353 (1996); J. C. Slonczewski, “Current-Driven Excitation of Magnetic Multilayers,” J. Magn. Magn. Mater. 159, 1 (1996).
2. M. Tsoi, A. G. M. Jansen, J. Bass, W.-C. Chiang, M. Seck, V. Tsoi, and P. Wyder, “Excitation of a Magnetic Multilayer by an Electric Current,” Phys. Rev. Lett. 80, 4281 (1998); E. B. Myers, D. C. Ralph, J. A. Katine, R. N. Louie, and R. A. Buhrman, “Current-Induced Switching of Domains in Magnetic Multilayer Devices,” Science 285, 867 (1999); J. A. Katine, F. J. Albert, R. A. Buhrman, E. B. Myers, and D. C. Ralph, “Current-Driven Magnetization Reversal and Spin-Wave Excitations in Co/Cu/Co Pillars,” Phys. Rev. Lett. 84, 3149 (2000).
3. L. Thomas, M. Hayashi, X. Jiang, R. Moriya, C. Rettner, and S. Parkin, “Resonant Amplification of Magnetic Domain-Wall Motion by a Train of Current Pulses,” Science 315, 5818 (2007).
4. S. Choi et al., “Switching Magnetism and Superconductivity with Spin-Polarized Current in Iron-Based Superconductor,” Phys. Rev. Lett. 119, 227001 (2017).
5. A. A. Abrikosov and L. P. Gorkov, “Contribution to the Theory of Superconducting Alloys with Paramagnetic Impurities,” Zh. Eksp. Teor. Fiz. 39, 1781 (1960), [JETP 12, 1243 (1961)].
6. V. Jaccarino and M. Peter, “Ultra-High-Field Superconductivity,” Phys. Rev. Lett. 9, 290 (1962).
7. H. W. Meul, C. Rossel, M. Decroux, Ø. Fischer, G. Remenyi, and A. Briggs, “Observation of Magnetic-Field-Induced Superconductivity,” Phys. Rev. Lett. 53, 497 (1984); Ø. Fischer, H. W. Meul, M. G. Karkut, G. Remenyi, U. Welp, J. C. Piccoche, and K. Maki, “Antivortex Paramagnetism in the Magnetic-Field-Induced Superconducting State of EuxSn1−xMo6S,” 55, 2972 (1985).
8. H. Kimura, R. P. Barber, S. Ono, Y. Ando, and R. C. Dynes, “Josephson Scanning Tunneling Microscopy: A Local and Direct Probe of The Superconducting Order Parameter,” Phys. Rev. B 80, 144506 (2009).