Tutkijoiden havainto: Suprajohde kuljettaa magneettista informaatiota tavanomaista pidemmälle

Jyväskylän ja Tampereen yliopistoissa sekä San Sebastiánissa, Espanjassa työskentelevät tutkijat ovat osoittaneet, kuinka suprajohteiden avulla voidaan kuljettaa magneettista informaatiota paljon pidemmälle kuin tavanomaisissa johteissa.

Julkaistu

3.5.2022

Löydöksellä voi olla sovelluksia magneettisiin materiaaleihin perustuvissa matalan lämpötilan muisti- ja logiikkaelementeissä.

Suprajohteet kuljettavat mitä tahansa kuumenematta – vai kuljettavatko?

Tietyt materiaalit ovat matalissa lämpötiloissa suprajohteita eli niiden sähkönvastus katoaa. Tästä seuraa, että kun suprajohteen läpi johdetaan sähkövirta, se ei kuumene lainkaan. Sähkövarauksen lisäksi elektronilla on muitakin ominaisuuksia, kuten spin, joka synnyttää eri materiaalien magneettiset ominaisuudet. Magnetismia ja suprajohtavuutta ei yleensä esiinny samassa materiaalissa, mutta jos magneettinen ja suprajohtava materiaali liitetään yhteen, ne vaikuttavat toisiinsa.

Tutkijat osoittivat arvostetussa Physical Review Letters -lehdessä julkaistussa artikkelissa, miten tietyissä tilanteissa suprajohteet eivät kuljeta pelkästään varausvirtoja vaan myös spinvirtoja pitkiä matkoja ilman lämpöhäviöitä. Tavanomaisissa metalleissa vastaavia häviöttömiä virtoja voidaan kuljettaa vain erittäin lyhyitä, atomien välisiä etäisyyksiä vastaavia matkoja. Tällaiset spinvirrat ovat hyödyllisiä, sillä ne välittävät magneettisia vuorovaikutuksia magneettisten elementtien välillä kontrolloidusti. Virtoja tarkastelemalla voidaan ymmärtää magneettien keskinäinen dynamiikka silloin kun niihin kohdistuu ulkopuolinen ajava voima. Tätä tutkitaan erityisesti magneettisten muistisovellusten yhteydessä.

Tällaiset spinvirrat saattavat olla vaikeita havaita, sillä ne eivät tuota sähköisiä signaaleita. Ne voidaan kuitenkin havaita tutkimalla järjestelmän magneettisessa konfiguraatiossa tapahtuvia muutoksia. Ne myös vaikuttavat voimakkaasti järjestelmän dynaamiseen magnetisaatiovasteeseen. Artikkelissa tutkijat kuvaavat erilaisia kokeellisia sormenjälkiä, joiden avulla tällaiset virrat voidaan havaita.

“Aikaisemmassa tutkimuskirjallisuudessa esitetyt näkemykset suprajohtavien spinvirtojen toiminnasta olivat melko hämmentäviä. Artikkelimme yhtenä tarkoituksena onkin tarjota yhtenäinen kuva siitä, miten kitkattomat spinvirrat sekä tavanomaiset kuumentumista aiheuttavat virrat toimivat”, selittää Risto Ojajärvi, joka suoritti ilmiötä kuvaavat laskut.

Työ selvittää myös, kuinka jossain tapauksissa kitkattomat spinvirrat itse asiassa aiheuttavat sen, että järjestelmä kokonaisuudessaan kuumenee enemmän kuin mitä se kuumenisi ilman niitä. Tämä kuumeneminen ei kuitenkaan tapahdu magneettien välisessä suprajohteessa, vaan magneeteissa itsessään, jotka pystyvät suprajohteen vuoksi kuljettamaan spiniä tehokkaasti keskenään. Tällaisia kollektiivisia dynaamisia ilmiöitä ei aiemmin tunnettu tässä kontekstissa, ja ne avaavat uudenlaisia näkymiä dynaamisten magneettisten tilojen hyödyntämiseksi.

Tutkimus on tehty osana EU:n Horisontti 2020 -ohjelmasta rahoitettua SUPERTED-projektia.