פרומגנטיות ספונטנית הנשלטת על-ידי זרם-על במזהמים מגנטיים בסופרמוליך עם קשירת ספין-מסלול

מדוע ממגנטים זעירים בסופרמוליך חשובים

מחשבי-על מודרניים זקוקים לזיכרון מהיר וחסכוני במיוחד שמתפקד בסביבת הקירור הנחוצה לאלקטרוניקת סופרמוליכות. המחקר חוקר חומר יוצא דופן שבו זרימת זרם חשמלי ללא התנגדות, הנקרא זרם-על, מסוגלת בארגון שקט ליישר רגעים מגנטיים זעירים רבים על פני השטח למצב קולקטיבי. העבודה מצביעה על דרך חדשה לאחסון מידע עם כמעט אפס איבוד אנרגיה.

סופרמוליכים והמגנטים הנסתרים

בסופרמוליך סטנדרטי, אלקטרונים מתאחדים לזוגות בצורה שבדרך כלל מתנגשת עם מגנטיות. ביטים מגנטיים נוטים לפרק זוגות אלו, ולכן סידור מגנטי לטווח ארוך לא מעודד. החומר שנחקר כאן, תרכובת מבוססת ברזל הידועה בשם Fe(Se, Te), מתנהג אחרת כיוון שהאלקטרונים בו חווים קשר חזק בין התנועה שלהם לבין הספין שלהם, המכונה קשירת ספין-מסלול. אטומי ברזל נוספים שנמצאים בין השכבות האטומיות הרגילות פועלים כמגנטים זעירים המפוזרים על פני השטח. תיאוריות הציעו כי בהגדרה כזו המזהמים יכולים לתקשר זה עם זה דרך זרמים בלתי רגילים בסופרמוליך ולהתיישר כמו פרומגנט, אך הדבר לא נצפה ישירות עד כה.

הדמיית דפוסי מגנטיות בלתי נראים

החוקרים קילפו פלייקים דקיקים של Fe(Se, Te) שהכילו צפיפות יחסית גבוהה של אטומי ברזל אינטרסטיציאליים וקיררו אותם מתחת לטמפרטורת המעבר לסופרמוליכות. באמצעות מיקרוסקופ SQUID סורק רגיש מאוד הם מיפו כיצד החומר הגיב הן לשדות מגנטיים קטנים והן לזרמים מוחלים. במקום דפוס הסילונים המוכר שמסמן חדירת שדה מגנטי לסופרמוליך, הם ראו דומיינים מגנטיים רחבים המתפשטים על פני עשרות מיקרומטר. דומיינים אלו השתנו ממחזור קירור אחד לאחר, הופיעו רק בזמן שהחומר היה במצב סופרמוליך, והדהו במהירות כאשר הטמפרטורה התקרבה לטמפרטורה הקריטית. התנהגות זו הראתה שהדומיינים אינם נובעים ממזהמים רגילים, אלא ממצב מגנטי שתלוי בסופרנוזון של אלקטרונים מזוגגים.

זרם ככותב מגנטיזציה

כדי לבדוק האם זרם-על יכול לשלוט במגנטיות זו, הקבוצה בנתה מכשירים עם אלקטרודות זהב על פלייקים דומים. כאשר הם העבירו זרם דחייה קטן דרך הדגימה, האות המגנטי הנצפה עקב שדה המגנטיות הפשוט שנוצר על ידי הזרם עצמו. מעל סף זרם מסוים, עם זאת, הדפוס השתנה בפתאומיות: זרמים חזקים נאספו לאורך הקצוות וסימן הזרימה המגנטית הנמדדת התהפך לעומת הציפייה הפשוטה. לאחר שהזרם נסגר נותר דפוס פלוקס רזידואלי, שסימנו ניתן היה להפוך על ידי יישום זרם בכיוון ההפוך. התלות בזרם התאפיינה בלולאת היסטרזיס, בדומה להפיכת מגנטיזציה של פרומגנט קונוונציונלי, אך כאן ההחלפה התקיימה בצפיפות זרם-על הנמוכה בכ־אלף פעמים מזו שבמכשירים מתכתיים טיפוסיים.

כיצד זרם-העל קושר את הספינים זה לזה

המפתח הוא אפקט מגנטו-חשמלי שמותר על-ידי קשירת ספין-מסלול על המשטח. זרם-על זורם נוטה לקדם פולריזציה של המזהמים על פני השטח כך שהספינים שלהם מסתדרים במישור. בתמורה, מגנטיזציה אחידה במישור מייצרת את מה שמכונים זרמי-על אנומליים שמסלולים מעגליים אופייניים: לאורך הקצוות הם מחזקים את כיוון הזרם המוחל, בעוד שבפנים הם מתנגדנים לו. זרמים מעגליים אלו מייצרים את האותות המגנטיים הנראים במיקרוסקופ ה-SQUID. מאחר שהמשטחים העליון והתחתון של הפלייק הדק תורמים באופן מצטבר, האפקט חזק אף על פי שהספינים עצמם אטומיים בגודלם. כאשר הסופרמוליך מתחמם, הסופרפלוויד נחלש ושני הסדר הפרומגנטי לטווח ארוך והזרמים האנומליים הנלווים נעלמים, וקושרים את המצב המגנטי ישירות לקונדנסט הסופרמולידי.

אל תוך זיכרון קירוגני בעל איבוד נמוך

במונחים פשוטים, המחקר מראה כי זרם עדין וללא איבוד יכול להחליף גיליון של ממגנטים זעירים על פני השטח בין מצבים דולקים וכבויים בצורה ניתנת לשליטה ושמורה, כל עוד החומר נשאר סופרמוליך. מגנטיזציה הכתובה על-ידי זרם זה, המתווכת על-ידי זרמי-על במקום אלקטרונים רגילים, יכולה לשמש כבסיס לרכיבי זיכרון קירוגני שצורכים הרבה פחות אנרגיה ממכשירים מגנטיים קיימים. בעוד שיישומים מעשיים ידרשו סרטים נקיים ודקים יותר ותכנון קריאות חשמליות אמין, העבודה מאשרת רעיון תיאורטי ותיק ופותחת נתיב לשילוב לוגיקת סופרמוליכות עם אחסון מגנטי במחשבים עתידיים בעלי צריכת אנרגיה נמוכה.

ציטוט: Xiang, B., He, Q., Lin, Y. et al. Supercurrent-controlled spontaneous ferromagnetism of magnetic impurities in a spin-orbit-coupled superconductor. Nat Commun 17, 4294 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70968-1

מילות מפתח: אלקטרוניקת ספין סופרמוליכות, פרומגנטיות, קשירת ספין-מסלול, זיכרון קירוגני, FeSeTe