En général, le magnétisme et le flux sans perte de courant électrique (« supraconductivité ») sont des phénomènes concurrents qui ne peuvent coexister dans le même échantillon. Cependant, pour la construction de supercalculateurs, la combinaison synergique des deux états présente des avantages majeurs par rapport à la technologie des semi-conducteurs actuelle, caractérisé par une consommation d'énergie et une production de chaleur élevées. Des chercheurs du Département de physique de l'Université de Constance ont maintenant démontré que le transfert électrique sans perte d'informations codées magnétiquement est possible. Cette découverte permet d'augmenter la densité de stockage sur les puces de circuits intégrés et de réduire considérablement la consommation énergétique des centres de calcul. Les résultats de cette étude ont été publiés dans le numéro actuel de la revue scientifique Communication Nature .

La miniaturisation de la technologie des semi-conducteurs approche de ses limites physiques. Depuis plus de 70 ans, le traitement de l'information dans les ordinateurs a été réalisé en créant et en transférant des signaux électriques, qui dégage de la chaleur perdue. La dissipation de chaleur entraîne une augmentation de la température dans les blocs de construction, lequel, à son tour, nécessite des systèmes de refroidissement complexes. La gestion de la chaleur est l'un des grands défis de la miniaturisation. Par conséquent, des efforts sont actuellement déployés dans le monde entier pour réduire la chaleur perdue dans l'informatique et les télécommunications.

Une collaboration à l'Université de Constance entre le groupe de physique expérimentale dirigé par le professeur Elke Scheer et le groupe de physique théorique dirigé par le professeur Wolfgang Belzig utilise une approche basée sur le transport de charges sans dissipation dans des blocs de construction supraconducteurs. Les matériaux magnétiques sont souvent utilisés pour le stockage d'informations. Les informations codées magnétiquement peuvent, en principe, également être transporté sans production de chaleur en utilisant le spin des électrons au lieu de la charge. Combinant le transport de charge sans perte de la supraconductivité avec le transport électronique d'informations magnétiques, c'est à dire., spintronique, ouvre la voie à des fonctionnalités fondamentalement nouvelles pour les futures technologies de l'information économes en énergie.

Les chercheurs de l'Université de Constance se sont penchés sur un défi majeur associé à cette approche :le fait que dans les supraconducteurs conventionnels, le courant est transporté par des paires d'électrons avec des moments magnétiques opposés. Ces paires sont donc amagnétiques et ne peuvent pas véhiculer d'informations magnétiques. L'état magnétique, par contre, est formé par des moments magnétiques alignés parallèlement les uns aux autres, supprimant ainsi le courant supraconducteur.

"La combinaison de la supraconductivité, qui fonctionne sans génération de chaleur, avec la spintronique, transfert d'informations magnétiques, ne contredit aucun concept physique fondamental, mais juste des hypothèses naïves sur la nature des matériaux, " dit Elke Scheer. Des découvertes récentes suggèrent qu'en mettant des supraconducteurs en contact avec des matériaux magnétiques spéciaux, les électrons à spins parallèles peuvent être liés à des paires transportant le supercourant sur de plus longues distances à travers des aimants. Ce concept peut permettre de créer de nouveaux dispositifs électroniques aux propriétés révolutionnaires.

Sous la direction d'Elke Scheer, Le Dr Simon Diesch a réalisé une expérience qui clarifie le mécanisme de création de telles paires d'électrons avec une orientation de spin parallèle. "Nous avons montré qu'il est possible de créer et de détecter ces paires d'électrons à spin aligné, " explique Simon Diesch. La conception du système et l'interprétation des résultats de mesure reposent sur la thèse de doctorat du Dr Peter Machon dans le domaine de la physique théorique, qui a été menée sous la supervision de Wolfgang Belzig.

"Il est important de trouver des matériaux qui permettent de telles paires d'électrons alignées. Notre projet n'est donc pas seulement un projet de physique mais aussi de science des matériaux, " dit Scheer. Des chercheurs du Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ont fourni les échantillons sur mesure constitués d'aluminium et de sulfure d'europium. L'aluminium est un supraconducteur très bien étudié, permettant une comparaison quantitative entre théorie et expérience. Le sulfure d'europium est un isolant ferromagnétique, une propriété matérielle importante pour la réalisation du concept théorique, qui conserve ses propriétés magnétiques même dans des couches très fines de seulement quelques nanomètres d'épaisseur, tel qu'utilisé ici. À l'aide d'un microscope à effet tunnel développé à l'Université de Constance, Des mesures résolues spatialement et énergétiquement du transport de charge des échantillons d'aluminium et de sulfure d'europium ont été effectuées à basse température. Contrairement aux instruments commerciaux, le microscope à effet tunnel basé au laboratoire Scheer a été optimisé pour une résolution énergétique ultime et pour un fonctionnement dans des champs magnétiques variables.

La dépendance en tension du transport de charge à travers les échantillons est indicative de la distribution d'énergie des paires d'électrons et permet une détermination précise de la composition de l'état supraconducteur. À cette fin, une théorie précédemment développée par le groupe Belzig et adaptée pour décrire l'interface aluminium-sulfure d'europium a été appliquée. Cette théorie permettra aux chercheurs de décrire à l'avenir des circuits électriques et des échantillons beaucoup plus complexes. Les spectres d'énergie prédits par la théorie sont en accord avec les résultats expérimentaux, fournissant une preuve directe des paires d'électrons magnétiques.

Par ailleurs, la collaboration expérimentale-théorique a résolu les contradictions existantes concernant l'interprétation de tels spectres. Avec ces résultats, les physiciens de l'Université de Constance espèrent révéler le potentiel élevé de la spintronique supraconductrice pour améliorer ou remplacer la technologie des semi-conducteurs.