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

En el mundo de la ciencia de materiales, dos fuerzas poderosas a menudo se niegan a jugar bien juntas: el magnetismo y la superconductividad. El magnetismo es la fuerza que atrae la aguja de una brújula hacia el norte o pega un imán de nevera a una puerta, mientras que la superconductividad es un estado raro donde la electricidad fluye con absolutamente ninguna resistencia, permitiendo que las corrientes circulen por siempre sin perder energía. Durante décadas, los científicos se han sentido fascinados por la idea de combinar estos dos estados, con la esperanza de crear un nuevo tipo de memoria electrónica o un interruptor que pudiera controlar la electricidad con campos magnéticos. Sin embargo, llevarlos al mismo espacio es notoriamente difícil. Por lo general, el campo magnético de un imán es tan fuerte que destruye el delicado estado superconductor, haciendo que la electricidad enfrente repentinamente resistencia de nuevo. Para que esto funcione, los investigadores necesitan un material que sea superconductor pero también lo suficientemente delgado y flexible como para ser tocado por un imán sin ser aplastado por su campo.

Un equipo de investigadores ha encontrado ahora una forma de unir estos dos mundos utilizando una hoja muy delgada y autónoma de un material complejo llamado LaAlO3/SrTiO3. Este material forma una interfaz especial donde los electrones pueden moverse libremente, creando un gas de electrones bidimensional que se vuelve superconductor cuando se enfría a temperaturas cercanas al cero absoluto. El desafío era que esta capa superconductora está enterrada profundamente dentro del material, oculta bajo otras capas, lo que hace casi imposible conectar un contacto magnético directamente a ella sin dañar la delicada estructura. Al utilizar una técnica para desprender diminutas membranas flexibles de este material y adherirlas a una base de silicio, los investigadores crearon una configuración en la que podían aproximarse a la capa superconductora oculta desde el lateral. Luego colocaron pequeñas piezas de níquel, un metal magnético, contra los bordes de estas membranas. Lo que descubrieron fue que la superconductividad no desapareció; en cambio, se volvió increíblemente sensible a la historia magnética del níquel, actuando como un sensor integrado que podía decirles exactamente cómo se estaba comportando el imán.

Los investigadores construyeron tres dispositivos diminutos, cada uno consistente en una membrana microscópica y curva del material de óxido descansando sobre un chip de silicio. Adhirieron contactos de níquel a los lados de estas membranas, efectivamente sándwichando la capa superconductora entre el níquel y el aire. Cuando enfriaron estos dispositivos a 30 milikelvin, una temperatura apenas por encima del cero absoluto, la electricidad que fluía a través de la membrana cayó a cero resistencia, confirmando que el estado superconductor sobrevivió a la presencia del níquel magnético. Este fue un logro significativo porque, en muchas otras configuraciones, el campo magnético del níquel habría matado inmediatamente la superconductividad. El equipo comenzó entonces a investigar cómo el magnetismo del níquel influía en este estado superconductor. Aplicaron un campo magnético a los dispositivos y midieron cómo cambiaba la resistencia eléctrica mientras barrían el campo hacia arriba y hacia abajo.

Descubrieron que el estado superconductor no se comportaba de la misma manera cuando el campo magnético aumentaba que cuando disminuía. Esta diferencia, conocida como histéresis, reveló que los contactos de níquel mantenían una memoria magnética. La capa superconductora estaba reaccionando no solo al campo magnético externo aplicado por los científicos, sino también al campo magnético invisible generado por el propio níquel. Los investigadores notaron que el punto donde el material se volvía más superconductor —el punto de menor resistencia— no ocurría cuando el campo magnético externo era cero. En cambio, ocurría cuando el campo externo se fijaba en un valor específico de más o menos 45 militesla. Esto indicaba que el níquel estaba generando su propio campo magnético que ayudaba o luchaba contra el campo externo, y los científicos tuvieron que aplicar ese campo de contrapartida específico para cancelar la influencia del níquel y dejar que la superconductividad brillara.

Para entender esta interacción, el equipo desarrolló un modelo que trataba los contactos de níquel como fuentes de un campo magnético efectivo. Utilizaron simulaciones por computadora para mapear cómo la forma y el tamaño de las piezas de níquel creaban campos magnéticos errantes que alcanzaban la capa superconductora. Las simulaciones mostraron un vínculo directo entre qué tan magnetizado estaba el níquel y la fuerza del campo sentido por el superconductor. Al controlar cuidadosamente el campo magnético aplicado al níquel —magnetizándolo en una dirección, y luego revirtiendo parcialmente su dirección sin voltearlo por completo—, los investigadores pudieron sintonizar el campo magnético efectivo experimentado por el superconductor. Esto les permitió reconstruir el comportamiento magnético de los contactos de níquel simplemente observando cómo cambiaba la corriente superconductora. Básicamente, convirtieron al superconductor en un magnetómetro preciso, capaz de medir el estado magnético del níquel con alta sensibilidad.

El estudio también reveló que la dirección del campo magnético importaba enormemente. Cuando el campo magnético se aplicaba perpendicular a la superficie de la membrana, el estado superconductor era más frágil y las corrientes de conmutación eran menores. Sin embargo, cuando el campo se aplicaba paralelo a la superficie, el estado superconductor era mucho más robusto, permitiendo que fluyeran corrientes de hasta 100 nanoamperios. Esta diferencia sugiere que la estructura interna de los contactos de níquel cambia dependiendo de la dirección del campo. Cuando el campo se aplica desde el lateral, el níquel tiende a formar un estado magnético uniforme que es menos disruptivo para el superconductor. Cuando el campo se aplica desde arriba, el níquel se divide en pequeñas regiones magnéticas, o dominios, con paredes entre ellos que crean campos magnéticos localizados y desordenados que perturban a los electrones superconductores. Este hallazgo destaca que la geometría del contacto magnético es tan importante como el material mismo.

Estos resultados abren un nuevo camino para explorar cómo el espín, una propiedad fundamental de los electrones relacionada con el magnetismo, puede inyectarse en los superconductores. Los investigadores sugieren que la interfaz única de su material podría permitir la creación de tipos especiales de pares de electrones que pueden transportar información de espín, un requisito clave para futuros dispositivos de espintrónica superconductora. Si bien la configuración actual aún no permite el control independiente de dos contactos magnéticos separados necesarios para probar completamente estas teorías, el trabajo demuestra que es posible integrar contactos ferromagnéticos con superconductores de óxido sin destruir el estado superconductor. Al demostrar que el estado superconductor puede ser ajustado y controlado por la historia magnética de los contactos, el equipo ha proporcionado una plataforma fiable para futuros experimentos. El trabajo demuestra que, con el diseño adecuado, el conflicto entre el magnetismo y la superconductividad puede gestionarse, convirtiendo un obstáculo potencial en una herramienta para controlar los estados cuánticos.