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

Nel mondo della scienza dei materiali, due forze potenti spesso si rifiutano di giocare bene insieme: il magnetismo e la superconduttività. Il magnetismo è la forza che attira l'ago di una bussola verso nord o incolla un magnete da frigorifero a una porta, mentre la superconduttività è uno stato raro in cui l'elettricità scorre con assolutamente nessuna resistenza, permettendo alle correnti di circolare all'infinito senza perdere energia. Per decenni, gli scienziati sono stati affascinati dall'idea di combinare questi due stati, sperando di creare un nuovo tipo di memoria elettronica o un interruttore in grado di controllare l'elettricità con i campi magnetici. Tuttavia, farli coesistere nello stesso spazio è notoriamente difficile. Di solito, il campo magnetico di un magnete è così forte da distruggere il delicato stato superconduttore, facendo sì che l'elettricità affronti improvvisamente resistenza. Per far funzionare questo processo, i ricercatori hanno bisogno di un materiale che sia superconduttore ma anche abbastanza sottile e flessibile da poter essere toccato da un magnete senza essere schiacciato dal suo campo.

Un team di ricercatori ha ora trovato un modo per far incontrare questi due mondi utilizzando un foglio molto sottile e autoportante di un materiale complesso chiamato LaAlO3/SrTiO3. Questo materiale forma un'interfaccia speciale dove gli elettroni possono muoversi liberamente, creando un gas di elettroni bidimensionale che diventa superconduttore quando viene raffreddato a temperature vicine allo zero assoluto. La sfida era che questo strato superconduttore è sepolto in profondità all'interno del materiale, nascosto sotto altri strati, rendendo quasi impossibile attaccare direttamente un contatto magnetico senza danneggiare la delicata struttura. Utilizzando una tecnica che scolla minuscole membrane flessibili di questo materiale e le attacca a una base di silicio, i ricercatori hanno creato una configurazione in cui potevano avvicinare il livello superconduttore nascosto lateralmente. Hanno poi posizionato piccoli pezzi di nichel, un metallo magnetico, contro i bordi di queste membrane. Ciò che hanno scoperto è che la superconduttività non è scomparsa; al contrario, è diventata incredibilmente sensibile alla storia magnetica del nichel, agendo come un sensore integrato che poteva dire loro esattamente come si stava comportando il magnete.

I ricercatori hanno costruito tre piccoli dispositivi, ciascuno composto da una membrana microscopica e curva del materiale ossidico che poggia su un chip di silicio. Hanno attaccato contatti di nichel ai lati di queste membrane, creando di fatto un "sandwich" tra lo strato superconduttore, il nichel e l'aria. Quando hanno raffreddato questi dispositivi a 30 millikelvin, una temperatura appena sopra lo zero assoluto, l'elettricità che scorreva attraverso la membrana è scesa a resistenza zero, confermando che lo stato superconduttore sopravviveva alla presenza del nichel magnetico. Questo è stato un traguardo significativo perché, in molte altre configurazioni, il campo magnetico del nichel avrebbe immediatamente ucciso la superconduttività. Il team ha poi iniziato a indagare su come il magnetismo del nichel influenzasse questo stato superconduttore. Hanno applicato un campo magnetico ai dispositivi e misurato come la resistenza elettrica cambiava mentre facevano oscillare il campo su e giù.

Hanno scoperto che lo stato superconduttore non si comportava allo stesso modo quando il campo magnetico aumentava rispetto a quando diminuiva. Questa differenza, nota come isteresi, ha rivelato che i contatti di nichel conservavano una memoria magnetica. Lo strato superconduttore reagiva non solo al campo magnetico esterno applicato dagli scienziati, ma anche al campo magnetico invisibile generato dal nichel stesso. I ricercatori hanno notato che il punto in cui il materiale diventava più superconduttore — il punto di minima resistenza — non avveniva quando il campo magnetico esterno era pari a zero. Invece, accadeva quando il campo esterno era impostato su un valore specifico di più o meno 45 millitesla. Ciò indicava che il nichel generava il proprio campo magnetico che aiutava o combatteva il campo esterno, e gli scienziati dovevano applicare quel campo di contrasto specifico per annullare l'influenza del nichel e lasciare che la superconduttività risplendesse.

Per comprendere questa interazione, il team ha sviluppato un modello che trattava i contatti di nichel come sorgenti di un campo magnetico efficace. Hanno utilizzato simulazioni al computer per mappare come la forma e la dimensione dei pezzi di nichel creassero campi magnetici dispersi che raggiungevano lo strato superconduttore. Le simulazioni hanno mostrato un legame diretto tra quanto il nichel fosse magnetizzato e la forza del campo percepito dallo superconduttore. Controllando attentamente il campo magnetico applicato al nichel — magnetizzandolo in una direzione, poi invertendolo parzialmente senza capovolgerlo completamente — i ricercatori potevano sintonizzare il campo magnetico efficace esperito dallo superconduttore. Ciò ha permesso loro di ricostruire il comportamento magnetico dei contatti di nichel semplicemente osservando come cambiava la corrente superconduttiva. Hanno essenzialmente trasformato lo superconduttore in un magnetometro preciso, capace di misurare lo stato magnetico del nichel con alta sensibilità.

Lo studio ha anche rivelato che la direzione del campo magnetico era molto importante. Quando il campo magnetico veniva applicato perpendicolarmente alla superficie della membrana, lo stato superconduttore era più fragile e le correnti di commutazione erano minori. Tuttavia, quando il campo era applicato parallelamente alla superficie, lo stato superconduttore era molto più robusto, permettendo il flusso di correnti fino a 100 nanoampere. Questa differenza suggerisce che la struttura interna dei contatti di nichel cambi a seconda della direzione del campo. Quando il campo è applicato lateralmente, il nichel tende a formare uno stato magnetico uniforme che è meno dirompente per il superconduttore. Quando il campo è applicato dall'alto, il nichel si frammenta in piccole regioni magnetiche, o domini, con pareti tra di essi che creano campi magnetici localizzati e disordinati che disturbano gli elettroni superconduttori. Questa scoperta evidenzia che la geometria del contatto magnetico è tanto importante quanto il materiale stesso.

Questi risultati aprono una nuova strada per esplorare come lo spin, una proprietà fondamentale degli elettroni legata al magnetismo, possa essere iniettato nei superconduttori. I ricercatori suggeriscono che l'interfaccia unica del loro materiale potrebbe consentire la creazione di tipi speciali di coppie di elettroni in grado di trasportare informazioni di spin, un requisito chiave per i futuri dispositivi di spintronica superconduttiva. Sebbene l'attuale configurazione non permetta ancora il controllo indipendente di due separati contatti magnetici necessario per testare pienamente queste teorie, il lavoro dimostra che è possibile integrare contatti ferromagnetici con superconduttori ossidici senza distruggere lo stato superconduttore. Dimostrando che lo stato superconduttore può essere sintonizzato e controllato dalla storia magnetica dei contatti, il team ha fornito una piattaforma affidabile per esperimenti futuri. Il lavoro dimostra che, con il giusto design, il conflitto tra magnetismo e superconduttività può essere gestito, trasformando un potenziale ostacolo in uno strumento per controllare gli stati quantistici.