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

In de wereld van de materiaalkunde weigeren twee krachtige krachten vaak goed samen te spelen: magnetisme en supergeleiding. Magnetisme is de kracht die een kompasnaald naar het noorden trekt of een koelkastmagneet aan een deur laat plakken, terwijl supergeleiding een zeldzame staat is waarin elektriciteit stroomt met absoluut geen weerstand, waardoor stromen eeuwig rond kunnen cirkelen zonder energie te verliezen. Decennialang waren wetenschappers gefascineerd door het idee om deze twee staten te combineren, in de hoop een nieuw soort elektronisch geheugen of een schakelaar te creëren die elektriciteit kan controleren met magnetische velden. Het samenbrengen van deze twee in dezelfde ruimte is echter berucht moeilijk. Meestal is het magnetische veld van een magneet zo sterk dat het de delicate supergeleidende staat vernietigt, waardoor de elektriciteit plotseling weer weerstand ondervindt. Om dit werkend te krijgen, hebben onderzoekers een materiaal nodig dat wel supergeleidend is, maar ook dun en flexibel genoeg is om door een magneet aangeraakt te kunnen worden zonder door diens veld te worden verpletterd.

Een team van onderzoekers heeft nu een manier gevonden om deze twee werelden samen te brengen met behulp van een zeer dunne, vrijstaande laag van een complex materiaal genaamd LaAlO3/SrTiO3. Dit materiaal vormt een speciaal grensvlak waar elektronen vrij kunnen bewegen, wat een tweedimensionale elektronengas creëert dat supergeleidend wordt wanneer het wordt afgekoeld tot temperaturen nabij het absolute nulpunt. De uitdaging was dat deze supergeleidende laag diep binnen het materiaal begraven ligt, verborgen onder andere lagen, waardoor het bijna onmogelijk is om een magnetisch contact direct aan de laag te bevestigen zonder de delicate structuur te beschadigen. Door een techniek te gebruiken waarbij kleine, flexibele membranen van dit materiaal worden afgepeld en op een siliciumbasis worden bevestigd, creëerden de onderzoekers een opstelling waarbij ze de verborgen supergeleidende laag vanaf de zijkant konden benaderen. Ze plaatsten vervolgens kleine stukjes nikkel, een magnetisch metaal, tegen de randen van deze membranen. Wat zij ontdekten was dat de supergeleiding niet verdween; in plaats daarvan werd het ongelooflijk gevoelig voor de magnetische geschiedenis van het nikkel, waardoor het fungeerde als een ingebouwde sensor die hen precies kon vertellen hoe de magneet zich gedroeg.

De onderzoekers bouwden drie minuscule apparaten, elk bestaande uit een gebogen, microscopisch membraan van het oxide-materiaal dat rust op een siliciumchip. Ze bevestigden nikkelcontacten aan de zijkanten van deze membranen, waardoor de supergeleidende laag effectief tussen het nikkel en de lucht werd gesandwiched. Wanneer ze deze apparaten afkoelden tot 30 millikelvin, een temperatuur die net boven het absolute nulpunt ligt, daalde de elektrische weerstand door het membraan naar nul, wat bevestigde dat de supergeleidende staat overleefde in de aanwezigheid van het magnetische nikkel. Dit was een belangrijke prestatie, omdat in veel andere opstellingen het magnetische veld van het nikkel de supergeleiding onmiddellijk zou hebben gedood. Het team begon vervolgens te onderzoeken hoe de magnetisme van het nikkel deze supergeleidende staat beïnvloedde. Ze brachten een magnetisch veld aan op de apparaten en maten hoe de elektrische weerstand veranderde terwijl ze het veld op- en afsweepten.

Ze ontdekten dat de supergeleidende staat niet op dezelfde manier reageerde wanneer het magnetische veld toenam als wanneer het afnam. Dit verschil, bekend als hysteresis, onthulde dat de nikkelcontacten een magnetisch geheugen vasthielden. De supergeleidende laag reageerde niet alleen op het externe magnetische veld dat door de wetenschappers werd toegepast, maar ook op het onzichtbare magnetische veld dat door het nikkel zelf werd gegenereerd. De onderzoekers merkten op dat het punt waarop het materiaal het meest supergeleidend was — het punt van de laagste weerstand — niet optrad wanneer het externe magnetische veld nul was. In plaats daarvan gebeurde dit wanneer het externe veld op een specifieke waarde van plus of min 45 millitesla werd ingesteld. Dit gaf aan dat het nikkel zijn eigen magnetische veld genereerde dat het externe veld ofwel hielp of bevechtte, en dat de wetenschappers dat specifieke tegenveld moesten toepassen om het effect van het nikkel te neutraliseren en de supergeleiding te laten schitteren.

Om deze interactie te begrijpen, ontwikkelde het team een model dat de nikkelcontacten behandelde als bronnen van een effectief magnetisch veld. Ze gebruikten computersimulaties om in kaart te brengen hoe de vorm en grootte van de nikkelstukjes ontsnapende magnetische velden (stray fields) creëerden die de supergeleidende laag bereikten. De simulaties toonden een direct verband tussen hoe sterk het nikkel gemagnetiseerd was en de sterkte van het veld dat door de supergeleider werd gevoeld. Door het toegepaste magnetische veld op het nikkel zorgvuldig te controleren — het nikkel in één richting te magnetiseren en vervolgens gedeeltelijk om te keren zonder het volledig om te draaien — konden de onderzoekers het effectieve magnetische veld dat de supergeleider ervoer, afstemmen. Dit stelde hen in staat om het magnetische gedrag van de nikkelcontacten te reconstrueren door enkel te kijken naar hoe de supergeleidende stroom veranderde. Ze veranderden de supergeleider in feite in een precieze magnetometer, in staat om de magnetische staat van het nikkel met hoge gevoeligheid te meten.

De studie onthulde ook dat de richting van het magnetische veld een grote rol speelde. Wanneer het magnetische veld loodrecht op het oppervlak van het membraan werd toegepast, was de supergeleidende staat kwetsbaarder en waren de schakelstromen kleiner. Echter, wanneer het veld parallel aan het oppervlak werd toegepast, was de supergeleidende staat veel robuuster, waardoor stromen tot 100 nanoampère konden vloeien. Dit verschil suggereert dat de interne structuur van de nikkelcontacten verandert afhankelijk van de richting van het veld. Wanneer het veld vanaf de zijkant wordt toegepast, heeft het nikkel de neiging een uniforme magnetische staat aan te nemen die minder verstorend is voor de supergeleider. Wanneer het veld van bovenaf wordt toegepast, breekt het nikkel op in kleine magnetische regio's, of domeinen, met wanden tussen hen die rommelige, gelokaliseerde magnetische velden creëren die de supergeleidende elektronen verstoren. Deze bevinding benadrukt dat de geometrie van het magnetische contact even belangrijk is als het materiaal zelf.

Deze resultaten openen een nieuw pad voor het verkennen van hoe spin, een fundamentele eigenschap van elektronen gerelateerd aan magnetisme, kan worden geïnjecteerd in supergeleiders. De onderzoekers suggereren dat de unieke interface van hun materiaal mogelijk speciale soorten elektronenparen kan creëren die spin-informatie kunnen dragen, een cruciale vereiste voor toekomstige supergeleidende spintronica-apparaten. Hoewel de huidige opstelling nog niet toelaat om twee aparte magnetische contacten onafhankelijk te besturen — wat nodig is om deze theorieën volledig te testen — bewijst het werk dat het mogelijk is om ferromagnetische contacten te integreren met oxide-supergeleiders zonder de supergeleidende staat te vernietigen. Door aan te tonen dat de supergeleidende staat kan worden afgestemd en gecontroleerd door de magnetische geschiedenis van de contacten, heeft het team een betrouwbaar platform geboden voor toekomstige experimenten. Het werk laat zien dat met het juiste ontwerp het conflict tussen magnetisme en supergeleiding beheersbaar is, waardoor een potentieel obstakel wordt omgezet in een instrument voor het controleren van kwantumtoestanden.