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

在材料科学领域，有两种强大的力量往往无法和谐共处：磁性和超导性。磁性是让指南针指向北方或让冰箱贴吸附在门上的力量；而超导性则是一种罕见的物理状态，在这种状态下，电流流动时完全没有电阻，使得电流可以永无止境地循环而不损失能量。几十年来，科学家们一直痴迷于将这两种状态结合起来的想法，希望创造出一种新型的电子存储器或能够利用磁场控制电流的开关。然而，将它们置于同一空间是极其困难的。通常情况下，来自磁铁的磁场非常强大，足以破坏脆弱的超导状态，导致电流突然面临电阻。为了实现这一目标，研究人员需要一种既具有超导性，又足够薄且足够灵活，以至于在接触磁铁时不会被其磁场“压碎”的材料。

现在，一组研究人员发现了一种方法，利用一种名为 LaAlO3/SrTiO3 的复杂材料制成的极薄且独立的薄片，将这两个世界结合在一起。这种材料形成了一个特殊的界面，电子可以在其中自由移动，形成一种二维电子气，并在冷却到接近绝对零度的温度时进入超导状态。挑战在于，这个超导层深埋在材料内部，隐藏在其他层之下，这使得直接将磁性接触点附着在上面而不损坏脆弱结构几乎变得不可能。通过使用一种剥离这种材料微小、柔性薄膜并将其附着在硅基底上的技术，研究人员创建了一个可以从侧面接近隐藏超导层的装置。随后，他们将小的镍（一种磁性金属）碎片贴在这些薄膜的边缘。他们发现，超导性并没有消失；相反，它对镍的磁历史变得异常敏感，就像一个内置传感器一样，能够精确告诉他们磁铁是如何变化的。

研究人员构建了三个微型器件，每个器件都由一片置于硅芯片上的氧化物材料制成的弯曲微型薄膜组成。他们在这些薄膜的侧面附着了镍触点，实际上是将超导层夹在镍和空气之间。当他们将这些器件冷却到 30 毫开尔文（一个仅略高于绝对零度的温度）时，流经薄膜的电流电阻降为零，证实了超导状态在存在磁性镍的情况下依然得以存续。这是一项重大成就，因为在许多其他设置中，来自镍的磁场会立即杀死超导性。随后，团队开始探测镍的磁性如何影响这种超导状态。他们对器件施加磁场，并测量电阻随磁场升降的变化情况。

他们发现，当磁场增加时和减少时，超导状态的表现并不相同。这种被称为“磁滞”的差异表明，镍触点保留了某种磁记忆。超导层不仅对科学家施加的外磁场做出反应，还对镍自身产生的隐形磁场做出反应。研究人员注意到，材料表现出最强超导性的点（即电阻最低的点）并不是在外磁场为零时发生的。相反，当外磁场设定在正负 45 毫特斯拉时，这一现象才会发生。这表明镍产生了自己的磁场，该磁场要么在帮助外磁场，要么在对抗外磁场，而科学家必须施加那个特定的反向场来抵消镍的影响，从而让超导性得以显现。

为了理解这种相互作用，团队开发了一个模型，将镍触点视为有效磁场的来源。他们使用计算机模拟来绘制出镍片的形状和大小是如何产生到达超导层的杂散磁场的。模拟显示，镍的磁化强度与超导体感受到的磁场强度之间存在直接联系。通过仔细控制施加给镍的磁场——将其磁化到一个方向，然后进行部分反转而不完全翻转——研究人员可以调节超导体所经历的有效磁场。这使他们能够仅仅通过观察超导电流的变化，就重建出镍触点的磁行为。他们实际上将超导体变成了一个精密磁力计，能够以高灵敏度测量镍的磁状态。

研究还表明，磁场的方向至关重要。当磁场垂直于薄膜表面施加时，超导状态更为脆弱，切换电流也较小。然而，当磁场平行于表面施加时，超导状态要稳健得多，允许高达 100 纳安的电流流过。这种差异表明，镍的内部结构取决于磁场的方向。当磁场从侧面施加时，镍倾向于形成一种均匀的磁态，对超导体造成的干扰较小。当磁场从上方施加时，镍会分裂成微小的磁区域（即磁畴），以及它们之间的壁，这些壁会产生混乱且局部的磁场，从而干扰超导电子。这一发现强调了磁性接触的几何形状与材料本身同样重要。

这些结果为探索自旋（电子的一种与磁性相关的基本属性）如何注入超导体开辟了新途径。研究人员指出，他们材料的独特界面可能允许创造出一种特殊的电子对，这些电子对可以携带自旋信息，这是未来超导自旋电子器件的关键要求。虽然目前的设置尚无法独立控制两个单独的磁性触点以充分测试这些理论，但这项工作证明了将铁磁接触与氧化物超导体集成而不破坏超导状态是可行的。通过展示超导状态可以受触点磁历史的调节和控制，该团队为未来的实验提供了一个可靠的平台。这项工作证明，只要设计得当，磁性与超导性之间的冲突是可以被管理的，可以将一个潜在的障碍转化为控制量子态的工具。