Tutkimuslöydökset edistävät suprajohteiden hyödyntämistä kvanttiteknologiassa

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. 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. 

Tutkimusartikkeli: Dynamics of Two Ferromagnetic Insulators Coupled by Superconducting Spin Current, Phys. Rev. Lett. 128, 167701 (2022)

Tutkijat löysivät tavan muodostaa suprajohtavan diodin

Eurooppalainen tutkijakonsortio Pisasta, Jyväskylästä ja San Sebastianista yhdessä USA:laisen MIT-yliopiston tutkijan kanssa on osoittanut, kuinka suprajohteista ja magneeteista koostuvassa nanorakenteessa sähkövirta voi kulkea pääsääntöisesti yhteen suuntaan kuten puolijohdediodeissa. Nämä uudet suprajohtavat diodit toimivat kuitenkin paljon puolijohteita matalammissa lämpötiloissa, minkä vuoksi niitä voi hyödyntää kvanttiteknologian sovelluksissa.

Suprajohteet sopivat kvanttiteknologian elektroniikkaan

Monet arjessa käyttämämme sähköiset laitteet, kuten radiot, tietokoneet ja aurinkopaneelit, käyttävät hyväkseen diodeja, joissa sähkövirta kulkee pääosin vain yhteen suuntaan. Diodit perustuvat puolijohteisiin ja vaativat toimiakseen riittävän korkean lämpötilan. Siksi niiden käyttö on ongelmallista muutaman asteen päässä lämpötilan absoluuttisesta nollapisteestä, missä tulevaisuuden kvanttiteknologiat toimivat parhaiten.

Suprajohteet ovat johteita, joissa ei yleensä havaita sähköistä vastusta. Jos ne yhdistetään toisiin materiaaleihin, itse kontaktin vastus voi silti olla suuri johtuen suprajohteiden toisesta ominaisuudesta: sähköisille viritystiloille kielletystä energia-alueesta, energia-aukosta. Puolijohteissa on samankaltainen energia-aukko valenssi- ja johtavuusvyön välillä, mutta tavallisesti paljon suurempi.

Suprajohteiden energia-aukon olemassaolo on tunnettu jo kymmeniä vuosia, ja sitä käytetään usein epäsuorana osoituksena suprajohtavuudesta. Suprajohdekontakteihin liittyvää diodiefektiä ei ollut kuitenkaan aiemmin havaittu, sillä energia-aukon lisäksi se vaatii kontaktin virta-jännitekäyrän symmetrian rikkomista. Tutkijaryhmä osoitti, kuinka tuo symmetria rikotaan tuomalla liitokseen magneettisia materiaaleja. Näin syntyvä laite on suoraan kvanttiteknologian käytettävissä, sillä monet nykyisin tutkitut kvanttiteknologiat pohjautuvat suprajohteisiin.

Yhteistyön voimaa – löydökseen törmättiin muun tutkimuksen ohessa

Suprajohtava diodi löytyi EU:n rahoittamassa SUPERTED-projektissa (Future and emerging technologies FET Open -hanke). Siinä pyritään luomaan maailman ensimmäinen suprajohtava lämpösähköinen sähkömagneettisen säteilyn mittari, joka pohjautuu suprajohteita ja magneetteja yhdisteleviin nanorakenteisiin.

”Itse asiassa diodiominaisuus löytyi sattumalta, kun mittasin SUPERTED-näytteiden ominaisuuksia”, kertoo Elia Strambini, joka teki alkuperäisen havainnon. ”Tämä löydös on hyvin lupaava erilaisiin kvanttiteknologian sovelluksiin, kuten virran tasasuuntaukseen tai rajoittamiseen”, selittää Francesco Giazotto, joka johti kokeellista projektia. Strambini ja Giazotto työskentelevät Pisan Istituto Nanosciencessa ja Scuola Normale Superioressa, Italiassa.

Laitteen teoriaa on tutkinut myös SUPERTEDin johtaja, Jyväskylän yliopiston professori Tero Heikkilä, joka lisää: ”Tämä löydös on hieno osoitus mahdollisuuksista, joita kohtaamme monipuolisessa kansainvälisessä yhteistyössä eri alojen tutkijoiden kanssa. Ilman eurooppalaista rahoitusta se ei onnistuisi.”

Tutkimusartikkeli: Superconducting spintronic tunnel diode, Nature Commun. 13, 2431 (2022)