Magnetic contacts on freestanding superconducting LaAlO$_3$/SrTiO$_3$ micromembranes

In der Welt der Materialwissenschaften gibt es zwei mächtige Kräfte, die oft nicht gut miteinander auskommen: Magnetismus und Supraleitung. Der Magnetismus ist die Kraft, die eine Kompassnadel nach Norden zieht oder einen Kühlschrankmagneten an eine Tür heftet, während die Supraleitung ein seltener Zustand ist, in dem Elektrizität mit absolut keinem Widerstand fließt, was es ermöglicht, dass Ströme ewig kreisen, ohne Energie zu verlieren. Jahrzehntelang waren Wissenschaftler von der Idee fasziniert, diese beiden Zustände zu kombinieren, in der Hoffnung, eine neue Art von elektronischem Speicher oder einen Schalter zu erschaffen, der Elektrizität mit Magnetfeldern steuern kann. Das Zusammenbringen dieser beiden in denselben Raum ist jedoch notorisch schwierig. Normalerweise ist das Magnetfeld eines Magneten so stark, dass es den empfindlichen supraleitenden Zustand zerstört, was dazu führt, dass der Strom plötzlich wieder auf Widerstand stößt. Um dies zum Erfolg zu führen, benötigen Forscher ein Material, das zwar supraleitend, aber auch dünn genug und flexibel genug ist, um von einem Magneten berührt zu werden, ohne durch dessen Feld zerquetscht zu werden.

Ein Forschungsteam hat nun einen Weg gefunden, diese beiden Welten unter Verwendung einer sehr dünnen, freistehenden Schicht eines komplexen Materials namens LaAlO3/SrTiO3 zusammenzuführen. Dieses Material bildet eine spezielle Grenzfläche, an der sich Elektronen frei bewegen können, wodurch ein zweidimensionales Elektronengas entsteht, das supraleitend wird, wenn es auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wird. Die Herausforderung bestand darin, dass diese supraleitende Schicht tief im Inneren des Materials verborgen ist, unter anderen Schichten versteckt, was es nahezu unmöglich macht, einen magnetischen Kontakt direkt an sie anzubringen, ohne die empfindliche Struktur zu beschädigen. Durch den Einsatz einer Technik, bei der winzige, flexible Membranen dieses Materials abgelöst und an einem Siliziumsubstrat befestigt werden, schufen die Forscher einen Aufbau, bei dem sie sich der verborgenen supraleitenden Schicht von der Seite nähern konnten. Sie platzierten dann kleine Stücke aus Nickel, einem magnetischen Metall, an den Kanten dieser Membranen. Sie entdeckten, dass die Supraleitung nicht verschwand; stattdessen wurde sie unglaublich empfindlich gegenüber der magnetischen Historie des Nickels und fungierte wie ein eingebauter Sensor, der ihnen genau sagen konnte, wie sich der Magnet verhielt.

Die Forscher bauten drei winzige Bauteile, die jeweils aus einer gekrümmten, mikroskopischen Membran des Oxidmaterials auf einem Siliziumchip bestehen. Sie befestigten Nickelkontakte an den Seiten dieser Membranen und sandwichten die supraleitende Schicht so effektiv zwischen dem Nickel und der Luft. Als sie diese Bauteile auf 30 Millikelvin abkühlten, eine Temperatur, die nur knapp über dem absoluten Nullpunkt liegt, sank der elektrische Widerstand in der Membran auf Null, was bestätigte, dass der supraleitende Zustand in der Gegenwart des magnetischen Nickels überlebte. Dies war eine bedeutende Errungenschaft, da in vielen anderen Aufbauten das Magnetfeld des Nickels die Supraleitung sofort zerstört hätte. Das Team begann dann zu untersuchen, wie der Magnetismus des Nickels diesen supraleitenden Zustand beeinflusst. Sie legten ein Magnetfeld an die Bauteile und maßen, wie sich der elektrische Widerstand änderte, während sie das Feld aufwärts und abwärts durchliefen.

Sie fanden heraus, dass sich der supraleitende Zustand nicht auf die gleiche Weise verhielt, wenn das Magnetfeld zunahm, wie wenn es abnahm. Dieser Unterschied, bekannt als Hysterese, offenbarte, dass die Nickelkontakte ein magnetisches Gedächtnis bewahrten. Die supraleitende Schicht reagierte nicht nur auf das externe Magnetfeld, das von den Wissenschaftlern angelegt wurde, sondern auch auf das unsichtbare Magnetfeld, das vom Nickel selbst erzeugt wurde. Die Forscher bemerkten, dass der Punkt, an dem das Material am supraleitendsten war – der Punkt des niedrigsten Widerstands – nicht bei einem externen Magnetfeld von Null auftrat. Stattdessen geschah dies, wenn das externe Feld auf einen spezifischen Wert von plus oder minus 45 Millitesla eingestellt war. Dies deutete darauf hin, dass das Nickel ein eigenes Magnetfeld erzeugte, das entweder dem externen Feld half oder gegen es ankämpfte, und die Wissenschaftler mussten dieses spezifische Gegenfeld anlegen, um den Einfluss des Nickels zu neutralisieren und die Supraleitung erstrahlen zu lassen.

Um diese Wechselwirkung zu verstehen, entwickelten die Forscher ein Modell, das die Nickelkontakte als Quellen eines effektiven Magnetfeldes behandelte. Sie nutzten Computersimulationen, um abzubilden, wie die Form und Größe der Nickelstücke Streufelder erzeugten, die die supraleitende Schicht erreichten. Die Simulationen zeigten eine direkte Verbindung zwischen der Stärke der Magnetisierung des Nickels und der Stärke des Feldes, das der Supraleiter spürte. Durch die sorgfältige Steuerung des auf das Nickel angelegten Magnetfeldes – indem sie es in eine Richtung magnetisierten und dann teilweise umkehrten, ohne es vollständig umzupolen – konnten die Forscher das effektive Magnetfeld, das der Supraleiter erfährt, abstimmen. Dies ermöglichte es ihnen, das magnetische Verhalten der Nickelkontakte allein durch die Beobachtung, wie sich der supraleitende Strom veränderte, zu rekonstruieren. Sie verwandelten den Supraleiter im Wesentlichen in ein präzises Magnetometer, das in der Lage war, den magnetischen Zustand des Nickels mit hoher Empfindlichkeit zu messen.

Die Studie zeigte auch, dass die Richtung des Magnetfeldes eine große Rolle spielte. Wenn das Magnetfeld senkrecht zur Oberfläche der Membran angelegt wurde, war der supraleitende Zustand fragiler und die Schaltströme waren kleiner. Wenn das Feld jedoch parallel zur Oberfläche angelegt wurde, war der supraleitende Zustand wesentlich robuster und erlaubte Ströme von bis zu 100 Nanoampere. Dieser Unterschied legt nahe, dass sich die interne Struktur der Nickelkontakte je nach Richtung des Feldes ändert. Wenn das Feld von der Seite angelegt wird, neigt das Nickel dazu, einen einheitlichen magnetischen Zustand zu bilden, der weniger störend für den Superleiter ist. Wenn das Feld von oben angelegt wird, zerfällt das Nickel in winzige magnetische Regionen, oder Domänen, mit Wänden zwischen ihnen, die ungeordnete, lokalisierte Magnetfelder erzeugen, welche die supraleitenden Elektronen stören. Dieser Befund unterstreicht, dass die Geometrie des magnetischen Kontakts genauso wichtig ist wie das Material selbst.

Diese Ergebnisse eröffnen einen neuen Weg zur Erforschung, wie Spin, eine fundamentale Eigenschaft von Elektronen im Zusammenhang mit Magnetismus, in Supraleiter injiziert werden kann. Die Forscher deuten darauf hin, dass die einzigartige Grenzfläche ihres Materials es ermöglichen könnte, spezielle Arten von Elektronenpaaren zu erzeugen, die Spin-Informationen tragen können, eine Grundvoraussetzung für zukünftige supraleitende Spintronik-Bauteile. Während der aktuelle Aufbau noch nicht die unabhängige Kontrolle zweier separater magnetischer Kontakte ermöglicht, die notwendig wäre, um diese Theorien vollständig zu testen, beweist die Arbeit, dass es möglich ist, ferromagnetische Kontakte mit Oxid-Supraleitern zu integrieren, ohne den supraleitenden Zustand zu zerstören. Indem sie zeigten, dass der supraleitende Zustand durch die magnetische Historie der Kontakte abgestimmt und gesteuert werden kann, hat das Team eine zuverlässige Plattform für zukünftige Experimente geschaffen. Die Arbeit demonstriert, dass mit dem richtigen Design der Konflikt zwischen Magnetismus und Supraleitung gemanagt werden kann, indem man einen potenziellen Hindernisweg in ein Werkzeug zur Steuerung von Quantenzuständen verwandelt.