De um modo geral, magnetismo e fluxo sem perdas de corrente elétrica ("supercondutividade") são fenômenos concorrentes que não podem coexistir na mesma amostra. Contudo, para construir supercomputadores, a combinação sinérgica de ambos os estados traz grandes vantagens em comparação com a tecnologia de semicondutores de hoje, caracterizado por alto consumo de energia e produção de calor. Pesquisadores do Departamento de Física da Universidade de Konstanz demonstraram agora que a transferência elétrica sem perdas de informações codificadas magneticamente é possível. Essa descoberta permite maior densidade de armazenamento em chips de circuito integrado e reduz significativamente o consumo de energia dos centros de computação. Os resultados deste estudo foram publicados na edição atual da revista científica. Nature Communications .

A miniaturização da tecnologia de semicondutores está se aproximando de seus limites físicos. Por mais de 70 anos, o processamento de informações em computadores foi realizado através da criação e transferência de sinais elétricos, que libera o desperdício de calor. A dissipação de calor resulta em um aumento da temperatura nos blocos de construção, que, por sua vez, requer sistemas de refrigeração complexos. O gerenciamento de calor é um dos grandes desafios da miniaturização. Portanto, esforços são feitos atualmente em todo o mundo para reduzir o calor residual no processamento de dados e telecomunicações.

Uma colaboração na Universidade de Konstanz entre o grupo de física experimental liderado pelo professor Elke Scheer e o grupo de física teórica liderado pelo professor Wolfgang Belzig usa uma abordagem baseada no transporte de carga sem dissipação em blocos de construção supercondutores. Materiais magnéticos são freqüentemente usados ​​para armazenamento de informações. As informações codificadas magneticamente podem, em princípio, também ser transportado sem produção de calor usando spin de elétron em vez de carga. Combinando o transporte de carga sem perdas de supercondutividade com o transporte eletrônico de informação magnética, ou seja, spintrônica, abre o caminho para funcionalidades fundamentalmente inovadoras para futuras tecnologias de informação com eficiência energética.

Os pesquisadores da Universidade de Konstanz abordaram um grande desafio associado a esta abordagem:o fato de que em supercondutores convencionais, a corrente é conduzida por pares de elétrons com momentos magnéticos opostos. Esses pares são, portanto, não magnéticos e não podem transportar informações magnéticas. O estado magnético, por contraste, é formado por momentos magnéticos que estão alinhados paralelamente uns aos outros, suprimindo assim a corrente supercondutora.

"A combinação de supercondutividade, que opera sem geração de calor, com spintrônica, transferência de informações magnéticas, não contradiz nenhum conceito físico fundamental, mas apenas suposições ingênuas sobre a natureza dos materiais, "Elke Scheer diz. Descobertas recentes sugerem que, ao colocar os supercondutores em contato com materiais magnéticos especiais, elétrons com spins paralelos podem ser ligados a pares que transportam a supercorrente por distâncias mais longas por meio de ímãs. Este conceito pode permitir novos dispositivos eletrônicos com propriedades revolucionárias.

Sob a supervisão de Elke Scheer, O Dr. Simon Diesch realizou um experimento que esclarece o mecanismo de criação de tais pares de elétrons com orientação de spin paralela. "Mostramos que é possível criar e detectar esses pares de elétrons alinhados ao spin, "Simon Diesch explica. O projeto do sistema e a interpretação dos resultados da medição contam com a tese de doutorado do Dr. Peter Machon no campo da física teórica, que foi conduzido sob a supervisão de Wolfgang Belzig.

"É importante encontrar materiais que possibilitem esses pares de elétrons alinhados. O nosso, portanto, não é apenas um projeto de física, mas também de ciência dos materiais, ", diz Scheer. Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT) forneceram as amostras feitas sob medida, consistindo de alumínio e sulfeto de európio. O alumínio é um supercondutor muito bem investigado, permitindo uma comparação quantitativa entre teoria e experimento. Sulfeto de európio é um isolante ferromagnético, uma propriedade material importante para a realização do conceito teórico, que mantém suas propriedades magnéticas mesmo em camadas muito finas de apenas alguns nanômetros de espessura, como usado aqui. Usando um microscópio de tunelamento desenvolvido na Universidade de Konstanz, Medições espacialmente e energeticamente resolvidas do transporte de carga das amostras de sulfeto de európio de alumínio foram realizadas em baixas temperaturas. Ao contrário dos instrumentos comerciais, o microscópio de tunelamento de varredura baseado no laboratório Scheer foi otimizado para resolução de energia final e para operação em campos magnéticos variados.

A dependência da tensão do transporte de carga através das amostras é indicativa da distribuição de energia dos pares de elétrons e permite a determinação precisa da composição do estado supercondutor. Para este fim, uma teoria desenvolvida anteriormente pelo grupo de Belzig e adaptada para descrever a interface de sulfeto de európio-alumínio foi aplicada. Essa teoria permitirá aos pesquisadores descrever circuitos elétricos e amostras muito mais complexas no futuro. Os espectros de energia previstos pela teoria concordam com os resultados experimentais, fornecer prova direta dos pares de elétrons magnéticos.

Além disso, a colaboração experimental-teórica resolveu as contradições existentes quanto à interpretação de tais espectros. Com esses resultados, os físicos da Universidade de Konstanz esperam revelar o alto potencial da spintrônica supercondutora para aprimorar ou substituir a tecnologia de semicondutores.