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

재료 과학의 세계에서 두 가지 강력한 힘인 자성과 초전도성은 종종 서로 잘 어울리지 못합니다. 자성은 나침반 바늘을 북쪽으로 끌어당기거나 냉장고 자석을 문에 붙이는 힘인 반면, 초전도성은 전기가 저항 없이 흐를 수 있는 희귀한 상태로, 에너지를 잃지 않고 전류가 영원히 순환할 수 있게 해줍니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 두 상태를 결합하여 새로운 종류의 전자 메모리나 자기장으로 전기를 제어할 수 있는 스위치를 만들고자 하는 아이디어에 매료되어 왔습니다. 그러나 이 둘을 같은 공간에 가져오는 것은 매우 어려운 일입니다. 보통 자석의 자기장은 너무 강력해서 섬세한 초전도 상태를 파괴하며, 이로 인해 전기는 갑자기 다시 저항에 직면하게 됩니다. 이를 성공시키기 위해서는 연구자들이 자석의 자기장에 의해 짓눌리지 않으면서도 자석의 영향을 받을 수 있을 만큼 충분히 얇고 유연한 재료를 필요로 합니다.

연구팀은 이제 LaAlO3/SrTiO3라고 불리는 복잡한 물질의 매우 얇은 독립형 시트를 사용하여 이 두 세계를 결합하는 방법을 찾아냈습니다. 이 물질은 전자가 자유롭게 움직일 수 있는 특수한 계면을 형성하며, 절대 영도 근처의 온도로 냉각하면 초전도 현상이 나타나는 2차원 전자 가스를 생성합니다. 문제는 이 초전도층이 물질 내부 깊숙이 묻혀 있고 다른 층 아래에 숨겨져 있어, 섬세한 구조를 손상시키지 않고 직접 자기 접촉을 부착하는 것이 거의 불가능했다는 점입니다. 연구진은 이 물질의 아주 작은 유연한 막을 벗겨내어 실리콘 기판에 부착하는 기술을 사용하여, 측면에서 숨겨진 초전도층에 접근할 수 있는 설정을 만들었습니다. 그런 다음 자기 금속인 니켈의 작은 조각들을 이 막의 가장자리에 밀착시켰습니다. 그들이 발견한 것은 초전도성이 사라지는 대신, 니켈의 자기적 이력(magnetic history)에 매우 민리하게 반응하여, 자기장이 어떻게 작동하고 있는지 정확히 알려주는 내장형 센서처럼 작동한다는 것이었습니다.

연구진은 산화물 물질의 곡선형 미세 막이 실리콘 칩 위에 놓여 있는 세 개의 아주 작은 장치를 제작했습니다. 그들은 이 막의 측면에 니켈 접촉부를 부착하여, 초전도층을 니켈과 공기 사이에 샌드위치처럼 끼워 넣었습니다. 이 장치들을 절대 영도에 아주 가까운 30밀리켈빈으로 냉각했을 때, 막을 통해 흐르는 전기의 저항이 0으로 떨어졌으며, 이는 니켈의 자기 존재 속에서도 초전도 상태가 생존했음을 확인시켜 주었습니다. 이는 많은 다른 설정에서 니켈의 자기장이 즉시 초전도를 없애버렸을 것을 고려하면 상당한 성과였습니다. 팀은 니켈의 자성이 이 초전도 상태에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 시작했습니다. 그들은 장치에 자기장을 가하고, 자기장을 높였다 낮추는 과정을 반복하며 전기 저항이 어떻게 변하는지 측정했습니다.

그들은 자기장이 증가할 때와 감소할 때 초전도 상태가 동일하게 행동하지 않는다는 것을 발견했습니다. 히스테리시스(hysteresis)라고 알려진 이 차이는 니켈 접촉부가 자기적 기억을 보유하고 있음을 드러냈습니다. 초전도층은 과학자들이 가한 외부 자기장뿐만 아니라, 니켈 자체에서 발생하는 보이지 않는 자기장에도 반응하고 있었습니다. 연구진은 물질이 가장 초전도성을 띠는 지점(저항이 가장 낮은 지점)이 외부 자기장이 0일 때 발생하는 것이 아니라, 외부 자기장이 플러스 또는 마이너스 45밀리테슬라의 특정 값일 때 발생한다는 사실을 주목했습니다. 이는 니켈이 외부 자기장을 돕거나 혹은 이에 맞서는 자체적인 자기장을 생성하고 있음을 나타내며, 과학자들은 초전도성이 빛을 발할 수 있도록 니켈의 영향을 상쇄하기 위해 그 특정 역자기장을 가해야 했습니다.

이러한 상호작용을 이해하기 위해 팀은 니켈 접촉부를 유효 자기장의 원천으로 취급하는 모델을 개발했습니다. 그들은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 니켈 조각의 모양과 크기가 초전도층에 도달하는 누설 자기장(stray magnetic fields)을 어떻게 만드는지 지도화했습니다. 시뮬레이션 결과, 니켈이 얼마나 강하게 자화되는지와 초전도체가 느끼는 자기장의 세기 사이에 직접적인 연관성이 있음이 밝혀졌습니다. 연구진은 니켈에 가해지는 자기장을 정밀하게 제어함으로써(니켈을 한 방향으로 자화시킨 후 완전히 뒤집지 않고 부분적으로 역전시키는 방식), 초전도체가 경험하는 유효 자기장을 조절할 수 있었습니다. 이를 통해 연구진은 초전도 전류의 변화를 관찰함으로써 니켈 접촉부의 자기적 거동을 재구성할 수 있었습니다. 그들은 본질적으로 초전도체를 정밀한 자력계(magnetometer)로 만들어, 높은 감도로 니켈의 자기 상태를 측정할 수 있게 되었습니다.

이 연구는 또한 자기장의 방향이 매우 중요하다는 것을 보여주었습니다. 자기장이 막의 표면에 수직으로 가해질 때 초전도 상태는 더 취약했고 전환 전류(switching currents)는 더 작았습니다. 그러나 자기장이 표면에 평행하게 가해질 때는 초전도 상태가 훨씬 더 견고하여 최대 100나노암페어의 전류가 흐를 수 있었습니다. 이러한 차이는 니켈 접촉부의 내부 구조가 자기장의 방향에 따라 달라짐을 시사합니다. 자기장이 측면에서 가해질 때 니켈은 초전도체를 덜 방해하는 균일한 자기 상태를 형성하는 경향이 있습니다. 반면, 자기장이 위에서 가해질 때 니켈은 작은 자기 영역, 즉 도메인(domain)으로 쪼개지며 그 사이의 벽들이 초전도 전자들을 방해하는 무질서하고 국부적인 자기장을 만들어냅니다. 이 발견은 자기 접촉의 기하학적 구조가 재료 자체만큼이나 중요하다는 것을 강조합니다.

이러한 결과는 스핀(자성과 관련된 전자의 근본적인 특성)을 초전도체로 주입하는 방법을 탐구하는 새로운 길을 열어줍니다. 연구진은 이 재료의 독특한 계면이 미래의 초전도 스핀트로닉스 소자에 필요한 핵심 요구 사항인, 스핀 정보를 운반할 수 있는 특수한 종류의 전자 쌍을 생성할 수 있게 해줄 것이라고 제안합니다. 현재의 설정은 이론을 완전히 테스트하는 데 필요한 두 개의 별도 자기 접촉을 독립적으로 제어할 수는 없지만, 이번 연구는 강자성 접촉을 초전도 산화물과 결합하면서도 초전도 상태를 파괴하지 않을 수 있음을 입증했습니다. 초전도 상태가 접촉부의 자기적 이력에 의해 튜닝되고 제어될 수 있음을 보여줌으로써, 연구팀은 미래의 실험을 위한 신뢰할 수 있는 플랫폼을 제공했습니다. 이 작업은 적절한 설계가 있다면 자성과 초전도의 갈등을 관리하여, 잠재적인 장애물을 양자 상태를 제어하기 위한 도구로 바꿀 수 있음을 보여줍니다.