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

材料科学の世界において、二つの強力な力が互いにうまく共存することを拒むことがよくあります。それは磁性と超伝導です。磁性は、コンパスの針を北へ向けたり、冷蔵庫のマグネットをドアに貼り付けたりする力であり、一方で超伝導は、電気が全く抵抗なく流れる稀な状態であり、エネルギーを失うことなく電流が永遠に循環することを可能にします。数十年にわたり、科学者たちはこれら二つの状態を組み合わせるというアイデアに魅了されてきました。磁場によって電気を制御できる新しい種類の電子メモリやスイッチを作りたいと考えてきたのです。しかし、これらを同じ空間に持ち込むことは極めて困難です。通常、磁石からの磁場は非常に強いため、繊細な超伝導状態を破壊してしまい、電気に突然抵抗を生じさせてしまうのです。これを成功させるには、超伝導体でありながら、磁石に触れてもその磁場によって押しつぶされることなく、十分に薄く柔軟な素材が必要となります。

研究チームは、LaAlO3/SrTiO3と呼ばれる複雑な材料の、非常に薄い自立したシートを用いることで、これら二つの世界を結びつける方法を見出しました。この材料は、電子が自由に動ける特別な界面を形成しており、絶対零度に近い温度まで冷却されると、二次元電子ガスとなって超伝導状態になります。課題は、この超伝導層が材料の内部深く、他の層の下に隠れていることであり、そのため、繊細な構造を損なうことなく磁性コンタクトを直接取り付けられることがほぼ不可能でした。この材料の極小の柔軟なメンブレン（膜）を剥離し、それをシリコン基板に取り付けるという手法を用いることで、研究者たちは、この隠れた超伝導層に側面からアプローチできるセットアップを作り上げました。そして、磁性金属であるニッケルの小さな破片を、これらのメンブレンの端に配置しました。彼らが発見したのは、超伝導が消失しなかったことでした。それどころか、超伝導はニッケルの磁気履歴に対して驚くほど敏感になり、磁石がどのように振る舞っているかを正確に伝える、組み込み型のセンサーのように機能したのです。

研究者たちは、酸化物材料の湾曲した微小なメンブレンがシリコンチップ上に載った、三つの小さなデバイスを作製しました。彼らはこれらのメンブレンの側面にニッケルコンタクトを取り付け、実質的に超伝導層をニッケルと空気の間に挟み込みました。これらのデバイスを30ミリケルビン（絶対零度にごく近い温度）まで冷却したところ、メンブレンを流れる電気の抵抗がゼロになったことが確認され、ニッケルの磁性の存在下でも超伝導状態が維持されていることが証明されました。これは、多くの他のセットアップでは、ニッケルからの磁場が即座に超伝導を死滅させてしまうため、重要な成果です。チームは次に、ニッケルの磁性がこの超伝導状態にどのように影響するかを調査しました。彼らはデバイスに磁場を印加し、磁場を上下にスキャンしながら電気抵抗がどのように変化するかを測定しました。

彼らは、磁場を増加させているときと減少させているときで、超伝導状態の挙動が同じではないことを見出しました。ヒステリシスとして知られるこの違いは、ニッケルコンタクトが磁気的な記憶を保持していることを明らかにしました。超伝導層は、科学者たちが印加した外部磁場だけでなく、ニッケル自体が発生させる目に見えない磁場にも反応していたのです。研究者たちは、材料が最も超伝導状態になる点（抵抗が最小になる点）は、外部磁場がゼロのときには起こらないことに気づきました。代わりに、それは外部磁場がプラスまたはマイナス45ミリテスラという特定の値に設定されたときに起こりました。これは、ニッケルが独自の磁場を生成しており、それが外部磁場を助けているか、あるいは戦っているかのどちらかであることを示しており、科学者たちは超伝導を輝かせるために、その特定のカウンターフィールド（対抗磁場）を適用してニッケルの影響を打ち消す必要があったのです。

この相互作用を理解するために、チームはニッケルコンタクトを有効磁場の源として扱うモデルを開発しました。彼らはコンピュータシミュレーションを用いて、ニッケルの破片の形状とサイズが、どのように超伝導層に到達する漏れ磁場（ストレイフィールド）を作り出すかをマッピングしました。シミュレーションは、ニッケルの磁化の強さと、超伝導体が感じる磁場の強さとの間に直接的な関連があることを示しました。ニッケルに印加される磁場を注意深く制御することで（ニッケルを一方の方向に磁化させ、その後、完全に反転させることなく部分的に逆転させる）、研究者たちは超伝導体が経験する有効磁場を調整することができました。これにより、超伝導電流の変化を観察することによって、ニッケルの磁気的挙動を再構成することが可能になりました。彼らは実質的に、超伝導体を精密な磁力計へと変え、高い感度でニッケルの磁気状態を測定できるようになったのです。

この研究はまた、磁場の方向が極めて重要であることを明らかにしました。磁場がメンブレンの表面に対して垂直に印加されたとき、超伝導状態はより脆弱になり、スイッチング電流は小さくなりました。しかし、磁場が表面に対して平行に印加されたとき、超伝導状態はより堅牢になり、最大100ナノアンペアの電流を流すことができました。この違いは、ニッケルの内部構造が磁場の方向によって変化することを示唆しています。磁場が横から印加されるとき、ニッケルは超伝導体を乱しにくい均一な磁気状態を形成する傾向があります。一方、磁場が上から印加されると、ニッケルは小さな磁区（ドメイン）へと分裂し、その境界となる壁が、超伝導電子を乱す乱雑で局所的な磁場を作り出します。この発見は、磁性コンタクトの幾何学的形状が、材料そのものと同じくらい重要であることを強調しています。

これらの結果は、スピン（磁性に関連する電子の基本的な性質）をどのように超伝導体に注入できるかを探求するための新しい道を切り開きます。研究者たちは、彼らの材料のユニークな界面が、スピン情報を運ぶことができる特別な種類の電子対の生成を可能にするかもしれないと示唆しています。これは、将来の超伝導スピントロニクス・デバイスにおける主要な要件です。現在のセットアップでは、これらの理論を完全にテストするために必要な二つの独立した磁性コンタクトを制御することはまだできませんが、この研究は、強磁性コンタクトを酸化物超伝導体と統合することが、超伝導状態を破壊することなく可能であることを証明しています。磁性コンタクトの磁気的な履歴によって超伝導状態を調整し、制御できることを示すことで、チームは将来の実験のための信頼できるプラットフォームを提供しました。この研究は、適切な設計があれば、磁性と超伝導性の間の衝突を管理し、潜在的な障害を量子状態を制御するためのツールへと変えられることを実証しています。