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

Dans le monde de la science des matériaux, deux forces puissantes refusent souvent de bien s'entendre : le magnétisme et la supraconductivité. Le magnétisme est la force qui attire l'aiguille d'une boussole vers le nord ou fait coller un aimant de réfrigérateur à une porte, tandis que la supraconductivité est un état rare où l'électricité circule avec absolument aucune résistance, permettant aux courants de tourner éternellement sans perdre d'énergie. Pendant des décennies, les scientifiques ont été fascinés par l'idée de combiner ces deux états, espérant créer un nouveau type de mémoire électronique ou un interrupteur capable de contrôler l'électricité avec des champs magnétiques. Cependant, les faire coexister dans le même espace est notoirement difficile. Généralement, le champ magnétique provenant d'un aimant est si fort qu'il détruit l'état supraconducteur délicat, provoquant une reprise soudaine de la résistance électrique. Pour que cela fonctionne, les chercheurs ont besoin d'un matériau qui soit supraconducteur mais aussi assez fin et flexible pour être touché par un aimant sans être écrasé par son champ.

Une équipe de chercheurs a maintenant trouvé un moyen de réunir ces deux mondes en utilisant une feuille très mince et autoportante d'un matériau complexe appelé LaAlO3/SrTiO3. Ce matériau forme une interface spéciale où les électrons peuvent circuler librement, créant un gaz d'électrons bidimensionnel qui devient supraconducteur lorsqu'il est refroidi à des températures proches du zéro absolu. Le défi était que cette couche supraconductrice est enfouie profondément à l'intérieur du matériau, cachée sous d'autres couches, ce qui rend presque impossible l'attachement direct d'un contact magnétique sans endommager la structure délicate. En utilisant une technique consistant à détacher de minuscules membranes flexibles de ce matériau et à les fixer sur une base de silicium, les chercheurs ont créé une configuration où ils pouvaient approcher la couche supraconductrice cachée par le côté. Ils ont ensuite placé de petits morceaux de nickel, un métal magnétique, contre les bords de ces membranes. Ce qu'ils ont découvert, c'est que la supraconductivité ne disparaissait pas ; au contraire, elle devenait incroyablement sensible à l'historique magnétique du nickel, agissant comme un capteur intégré capable de leur dire exactement comment l'aimant se comportait.

Les chercheurs ont construit trois dispositifs minuscules, chacun consistant en une membrane microscopique courbe du matériau oxyde reposant sur une puce de silicium. Ils ont attaché des contacts en nickel sur les côtés de ces membranes, plaçant ainsi la couche supraconductrice en sandwich entre le nickel et l'air. Lorsqu'ils ont refroidi ces dispositifs à 30 millikelvins, une température juste au-dessus du zéro absolu, l'électricité circulant à travers la membrane est tombée à une résistance nulle, confirmant que l'état supraconducteur survivait à la présence du nickel magnétique. C'était une réussite significative car, dans beaucoup d'autres configurations, le champ magnétique du nickel aurait immédiatement tué la supraconductivité. L'équipe a ensuite commencé à sonder comment le magnétisme du nickel influençait cet état supraconducteur. Ils ont appliqué un champ magnétique aux dispositifs et ont mesuré comment la résistance électrique changeait en balayant le champ de haut en bas.

Ils ont découvert que l'état supraconducteur ne se comportait pas de la même manière lorsque le champ magnétique augmentait que lorsqu'il diminuait. Cette différence, connue sous le nom d'hystérésis, a révélé que les contacts en nickel conservaient une mémoire magnétique. La couche supraconductrice réagissait non seulement au champ magnétique externe appliqué par les scientifiques, mais aussi au champ magnétique invisible généré par le nickel lui-même. Les chercheurs ont remarqué que le point où le matériau devenait le plus supraconducteur — le point de plus faible résistance — ne se produisait pas lorsque le champ magnétique externe était nul. Au lieu de cela, il se produisait lorsque le champ externe était fixé à une valeur spécifique de plus ou moins 45 millitesla. Cela indiquait que le nickel générait son propre champ magnétique qui aidait ou luttait contre le champ externe, et les scientifiques devaient appliquer ce contre-champ spécifique pour annuler l'influence du nickel et laisser la supraconductivité briller.

Pour comprendre cette interaction, l'équipe a développé un modèle qui traite les contacts en nickel comme des sources de champ magnétique effectif. Ils ont utilisé des simulations informatiques pour cartographier comment la forme et la taille des morceaux de nickel créaient des champs magnétiques parasites atteignant la couche supraconductrice. Les simulations ont montré un lien direct entre la force avec laquelle le nickel était magnétisé et la force du champ ressenti par le supraconducteur. En contrôlant soigneusement le champ magnétique appliqué au nickel — en le magnétisant dans une direction, puis en inversant partiellement sa polarité sans la retourner complètement — les chercheurs pouvaient ajuster le champ magnétique effectif ressenti par le supraconducteur. Cela leur a permis de reconstruire le comportement magnétique des contacts en nickel en observant simplement comment le courant supraconducteur changeait. Ils ont essentiellement transformé le supraconducteur en un magnétomètre de précision, capable de mesurer l'état magnétique du nickel avec une grande sensibilité.

L'étude a également révélé que la direction du champ magnétique importait énormément. Lorsque le champ magnétique était appliqué perpendiculairement à la surface de la membrane, l'état supraconducteur était plus fragile et les courants de commutation étaient plus faibles. Cependant, lorsque le champ était appliqué parallèlement à la surface, l'état supraconducteur était beaucoup plus robuste, permettant à des courants allant jusqu'à 100 nanoampères de circuler. Cette différence suggère que la structure interne des contacts en nickel change selon la direction du champ. Lorsque le champ est appliqué par le côté, le nickel tend à former un état magnétique uniforme qui est moins perturbateur pour le supraconducteur. Lorsque le champ est appliqué par le haut, le nickel se fragmente en petites régions magnétiques, ou domaines, avec des parois entre eux qui créent des champs magnétiques localisés et désordonnés qui perturbent les électrons supraconducteurs. Cette découverte souligne que la géométrie du contact magnétique est tout aussi importante que le matériau lui-même.

Ces résultats ouvrent une nouvelle voie pour explorer comment le spin, une propriété fondamentale des électrons liée au magnétisme, peut être injecté dans les supraconducteurs. Les chercheurs suggèrent que l'interface unique de leur matériau pourrait permettre la création de types spéciaux de paires d'électrons capables de transporter l'information de spin, une condition essentielle pour les futurs dispositifs de spintronique supraconductrice. Bien que la configuration actuelle ne permette pas encore le contrôle indépendant de deux contacts magnétiques distincts nécessaires pour tester pleinement ces théories, ce travail prouve qu'il est possible d'intégrer des contacts ferromagnétiques avec des supraconducteurs d'oxyde sans détruire l'état supraconducteur. En démontrant que l'état supraconducteur peut être ajusté et contrôlé par l'historique magnétique des contacts, l'équipe a fourni une plateforme fiable pour de futures expériences. Ce travail démontre qu'avec la conception appropriée, le conflit entre magnétisme et supraconductivité peut être géré, transformant un obstacle potentiel en un outil pour contrôler les états quantiques.