Supraleitung trifft Spintronik

Wenn supraleitende Bereiche durch einen Streifen nicht supra­leitenden Materials getrennt sind, kann ein besonderer Quanten­effekt auftreten, der beide Bereiche koppelt: Der Josephson-Effekt. Handelt es sich bei dem Material um einen halb­metal­lischen Ferro­magneten, ergeben sich neuartige Impli­ka­tionen für spin­tronische Anwendungen. Ein inter­nationales Team hat jetzt erstmals ein Material­system entworfen, das einen ungewöhnlich weit­reichenden Josephson-Effekt aufweist: Hier sind Bereiche aus dem supra­leitenden Cuprat YBa₂Cu₃O₇ durch einen Bereich aus halbmetallischem, ferromagnetischem Manganit La_0.7Sr_0.3MnO₃ von einem Mikrometer Breite getrennt.

Mit Hilfe von Magneto-Transport­messungen konnten die Forscher nachweisen, dass ein supra­leitender Strom durch das Manganit zirkuliert - hervor­gerufen durch die Kopplung zwischen den beiden supra­leitenden Bereichen als Mani­fes­tation eines Josephson-Effekts mit makro­skopisch großer Reichweite. Darüber hinaus erforschten sie eine weitere interes­sante Eigen­schaft mit tief­greifenden Konsequenzen für spin­tronische Anwendungen.

In Supraleitern bilden Elektronen Cooper-Paare. In der über­wiegenden Mehrheit der supra­leitenden Materialien bestehen diese Paare aus Elektronen mit entgegen­gesetztem Spin, um das magnetische Austausch­feld zu minimieren, das die Supraleitung schwächt. Im hier verwendeten ferro­magne­tischen Material kann jedoch nur ein Elektron mit einem Spin zirkulieren. Die Tatsache, dass in diesem Material ein Suprastrom nach­ge­wiesen wurde, bedeutet, dass die Cooper-Paare dieses Suprastroms aus Elektronen mit dem gleichen Spin bestehen müssen. Diese Triplett-Supra­leitung ist extrem selten.

„An der XMCD-PEEM-Station bei BESSY II haben wir die magnetischen Domänen innerhalb des Manganit-Streifens kartiert und gemessen. Wir haben weite Bereiche beobachtet, die homogen magnetisiert sind und die supra­leitenden Bereiche mitein­ander verbinden. In diesen können sich Triplett-Spinpaare frei ausbreiten“, erklärt Sergio Valencia Molina vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, der die Messungen betreut hat.

Supraleitende Ströme fließen ohne Widerstand, was sie für Anwendungen mit geringem Strom­verbrauch sehr interessant macht. Im vorliegenden Fall besteht dieser Strom aus Elektronen mit gleichen Spins. Solche spin­polari­sierten Ströme könnten in neuartigen supra­leitenden spin­tronischen Anwendungen für den Transport über große Entfernungen und das Lesen/Schreiben von Infor­ma­tionen verwendet werden. Die makro­skopische Quanten­kohärenz des Josephson-Effekts sorgt dabei für Stabilität.

Ein neues Bauelement, das aus supra­leitenden und ferro­magnetischen Komponenten besteht, würde daher Möglich­keiten für die supra­leitende Spintronik eröffnen und neue Perspektiven für das Quanten­computing aufzeigen.

HZB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. Sanchez-Manzano et al.: Extremely long range, high-temperature Josephson coupling across a half metallic ferromagnet, Nat. Mater., online 2. Dezember 2021; DOI: 10.1038/s41563-021-01162-5
• Elektronenspeicherring BESSY II, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH