一般来说磁性和无损电流流动(“超导性”)是相互竞争的现象，不能在同一样品中共存。然而对于建造超级计算机来说，两种状态的协同结合与当今的半导体技术相比具有很大的优势，其特点是功耗大、产热大。康斯坦兹大学物理系的研究人员已经证明，磁编码信息的无损电子传输是可能的。这一发现提高了集成电路芯片的存储密度，并显著降低了计算中心的能源消耗。这项研究的结果已经发表在最新一期《自然通讯》上。半导体技术的微型化正接近其物理极限。70多年来，计算机中的信息处理一直是通过产生和传输电信号来实现的，电信号释放热量废物。热量散失导致构件的温度升高，而这又需要复杂的冷却系统。
博科园-科学科普：热管理是微型化的一大挑战，因此目前全世界都在努力减少数据处理和电信方面的废热。由Elke Scheer教授领导的实验物理小组和Wolfgang Belzig教授领导的理论物理小组在康斯坦茨大学的合作使用了一种基于超导构建块中无耗散电荷传输的方法。磁性材料常用于信息存储。理论上，利用电子自旋而不是电荷，磁性编码的信息也可以在不产生热量的情况下传输。将超导的无损电荷输运与磁信息的电子输运相结合，即自旋电子学为未来节能信息技术的基本新功能铺平了道路。康斯坦茨大学(University of Konstanz)的研究人员已经解决了与这种方法相关的一个重大挑战：在传统超导体中，电流是由磁矩相反的电子对携带的。
扫描隧道显微镜安装在氦冷却装置从下面看到(与样品阶段移除)。显微镜尖端在样品表面以上的定位机制是可见的(图像中心)。图片：Simon Diesch
因此这些对是非磁性的，不能携带磁性信息。相反，磁态是由相互平行排列的磁矩形成的，从而抑制超导电流。埃尔克•希尔(Elke Scheer)说：超导与自旋电子学的结合(自旋电子学传递磁性信息，不产生热量)与任何基本物理概念并不矛盾，只是对材料本质的天真假设。最近的研究结果表明，通过使超导体接触特殊的磁性材料，具有平行自旋的电子可以与通过磁铁携带超导体的电子对绑定在一起，使超导体在更远的距离上运行，这一概念可能使具有革命性的新电子设备成为可能。在Elke Scheer的指导下，Simon Diesch博士进行了一个实验，阐明了这种具有平行自旋方向的电子对的产生机制。Simon Diesch说：我们证明了创造和检测这些自旋排列的电子对是可能的
系统的设计和测量结果的解释依赖于Peter Machon博士在理论物理学领域的博士论文，该论文是在Wolfgang Belzig的指导下进行的。重要的是找到能使这种排列整齐的电子对成为可能的材料。因此，项目不仅是一个物理学项目，也是一个材料科学项目。卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的研究人员提供了由铝和硫化铕组成的特制样品。铝是一种研究非常深入的超导体，能够在理论和实验之间进行定量比较。硫化铕是一种铁磁绝缘体，这是实现理论概念的一种重要材料特性，它甚至在这里使用的只有几纳米厚的极薄层中也能保持其磁性。利用康斯坦茨大学研制的扫描隧道显微镜，在低温下对铝-铕硫化物样品的电荷输运进行了空间和能量分辨率的测量。
与商业仪器不同的是，舍尔实验室的扫描隧道显微镜经过了优化，以获得最高的能量分辨率，并能在不同的磁场中工作。样品中电荷输运的电压依赖性指示了电子对的能量分布，并能准确地测定超导态的组成。为此贝尔齐格小组先前提出了一种理论，用于描述铝-欧洲硫化物界面。这个理论将使研究人员能够在未来描述更复杂的电路和样本。理论预测的能谱与实验结果一致，为磁电子对的研究提供了直接证据。此外，实验与理论的合作解决了现有的解释这类光谱的矛盾。利用这些结果，康斯坦兹大学的物理学家们希望揭示超导自旋电子学在增强或替代半导体技术方面的巨大潜力。
博科园-科学科普｜研究/来自：康斯坦茨大学
参考期刊文献:《Nature Communications》
DOI: 10.1038/s41467-018-07597-w
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