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Jul 17, 2023

Los investigadores observan el omnipresente efecto de diodo superconductor en películas superconductoras delgadas

Característica del 3 de agosto de 2023

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

El llamado efecto del diodo superconductor (SC) ha atraído recientemente una gran atención dentro de la comunidad de investigación en física, debido a su valor potencial para el desarrollo de nuevas tecnologías. Este efecto proporciona un ejemplo clave de superconductividad no recíproca, ya que los materiales que la albergan son esencialmente superconductores en una dirección del flujo de corriente y resistivos en la otra.

Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en colaboración con IBM Research Europe y otros institutos de todo el mundo, observaron recientemente este interesante efecto en películas delgadas de materiales superconductores. Sus hallazgos, presentados en Physical Review Letters, podrían permitir la fabricación de nuevos componentes electrónicos, como diodos de mejor rendimiento (es decir, dispositivos que permiten que la corriente eléctrica fluya en una dirección específica).

"Nuestro descubrimiento de un efecto de diodo SC fue en cierto modo fortuito, aunque igualmente sorprendente", dijo a Phys.org Jagadeesh Moodera, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "Estábamos (y todavía estamos) estudiando los esquivos estados ligados de Majorana, también conocidos como fermiones de Majorana, que aparecen en una superficie de oro superconductora utilizando una estructura de pila de película delgada similar. Nos desviamos para una búsqueda 'rápida' del fenómeno ( efecto de diodo superconductor) que de repente estaba ganando protagonismo, y desde 2020 han aparecido varios informes nuevos sobre este tema".

Apenas unos días después de que Moodera y sus colegas comenzaran a investigar el efecto del diodo SC, lo observaron con éxito en películas superconductoras delgadas. Inicialmente, intentaron observar específicamente el efecto en condiciones que se sabía que eran favorables, concretamente cuando los superconductores se sometían a órbitas de espín y campos de intercambio. Sin embargo, pronto se dieron cuenta de que el efecto era omnipresente en las capas superconductoras, lo que significa que ocurría en cualquier dirección, incluso sin estos campos.

"Resultó que se podía lograr un comportamiento récord del diodo en un superconductor con una simple escultura de sus bordes, y así formar la base para una futura ampliación sencilla de la tecnología eficiente de dispositivos de memoria superconductora, interruptores, lógica, etc.", explicó Moodera. "Es digno de mención señalar que dos estudiantes de secundaria que realizaron investigaciones en el MIT durante el verano, a saber, Amith Verambally y Ourania Glezakou-Ebert, fueron fundamentales para este estudio. Este trabajo enfatiza aún más que la investigación innovadora ocurre cuando menos se espera, cuando es libre. ¡Para explorar, con la mente abierta!"

Los superconductores son materiales que se vuelven superconductores (es decir, pueden conducir corriente continua sin perder energía) cuando se enfrían a temperaturas suficientemente bajas. Es decir, estos materiales albergan corriente eléctrica sin disipación, que fluye a través de ellos con resistencia cero hasta un valor máximo, conocido como corriente crítica.

Cuando se produce el efecto del diodo SC, esta corriente crítica se vuelve diferente según su dirección (es decir, si fluye hacia adelante o hacia atrás dentro del material). El objetivo clave del estudio de los investigadores fue probar este efecto en capas delgadas de materiales superconductores.

"Fabricamos películas SC de alta calidad con una capa semiconductora ferromagnética encima, y ​​al medir las características de la corriente de transporte encontramos un enorme efecto de diodo SC sin la necesidad de aplicar un campo magnético", explicaron Akashdeep Kamra y Yasen Hou. "Nos dimos cuenta de que los finos detalles geométricos de los lados de nuestras tiras de película con patrones litográficos desempeñaban un papel crucial en este efecto de diodo. Así que sintetizamos incluso simplemente la película SC e introdujimos falta de homogeneidad en uno de los lados, creando una mayor asimetría, para mejorar el efecto del diodo SC."

Curiosamente, los materiales empleados con el estudio sintonizado con la falta de homogeneidad de los bordes fueron diseñados en gran parte por dos estudiantes de secundaria que asistieron a un programa de verano en el MIT, bajo la supervisión de Hou y Moodera. Sus diseños creativos contribuyeron en gran medida a la observación por parte del equipo de un efecto de diodo SC mejorado aún más.

"En los últimos años ha habido varios informes sobre el efecto del diodo superconductor en sistemas multicapa bastante complejos, con interpretaciones que se basan principalmente en la noción de par de Cooper de momento finito", dijo Patrick Lee. "Los ingredientes son el campo magnético o la magnetización y la interacción de la órbita de espín para diseñar una película SC no convencional. Una configuración relativamente simple es intercalar una película SC entre una capa de ferroimán para proporcionar la magnetización y un metal pesado como el Pt para proporcionar la órbita de espín. acoplamiento. Estábamos interesados ​​en probar esta propuesta."

Como habían predicho, Moodera, Hou, Kamra, Lee y sus colegas observaron los efectos del diodo SC en las estructuras tipo sándwich que habían creado cuidadosamente. Para determinar si este diseño tipo sándwich era clave para permitir el efecto, crearon muestras superconductoras delgadas de control, que esperaban que no exhibieran este efecto. Sin embargo, para su gran sorpresa, estas muestras de control presentaron un efecto de diodo SC igualmente fuerte.

"Descubrimos que ni el metal pesado Pt ni el acoplamiento de intercambio entre el ferroimán y el SC son necesarios: el efecto es impulsado por el campo marginal en el borde del ferroimán", explicó Lee. "Finalmente descubrimos que podemos eliminar el ferroimán por completo, y una sola película SC sujeta a un campo perpendicular muy pequeño exhibe el efecto diodo. El origen de este efecto tiene que ver con la fijación del vórtice cerca del borde. Una vez que entendimos eso, Creó deliberadamente un borde irregular en un lado de la película y observó un efecto de diodo muy grande".

Para comprender mejor sus observaciones, los investigadores revisaron la literatura previa sobre este tema. Descubrieron que, si bien estudios anteriores analizaban parte de la física básica que subyace al efecto del diodo SC, a menudo lo hacían de forma desorganizada y dispersiva.

"Estos artículos han escapado a la atención de la reciente avalancha de artículos sobre el tema", dijo Lee. "Entonces, además de producir efectos de diodo récord de una manera muy simple, también ubicamos el trabajo reciente en el contexto correcto. Por lo tanto, cualquier afirmación de un nuevo efecto debe emprender el ejercicio de eliminar las características 'ubicuas' que encontramos. "

El trabajo reciente de este equipo de investigadores identifica efectivamente la física subyacente al efecto del diodo SC en películas delgadas de SC, mostrando que no es el resultado de un tipo diferente de mecanismo de emparejamiento de Cooper. Por el contrario, sugiere que el efecto del diodo SC es muy fácil de realizar y está relacionado con las propiedades básicas inherentes de los materiales SC, que se conocen desde hace décadas.

En el futuro, los hallazgos recopilados por Moodera, Hou, Kamra, Lee y sus colegas podrían permitir el desarrollo de diodos SC nuevos y de alto rendimiento. Además de estar basados ​​en materiales delgados y, por lo tanto, más fáciles de reducir de tamaño, estos diodos podrían ser fáciles de fabricar y altamente eficientes.

"En nuestro trabajo, no pudimos identificar y comprender el mecanismo por el que aparece el efecto del diodo SC cuando se aplica un campo magnético a lo largo de la dirección del flujo de corriente", agregaron Kamra, Hou, Lee y Moodera. "Esto sigue siendo un desafío intrigante y excepcional para nosotros y la comunidad científica. Nos gustaría resolverlo en el futuro.

"Al mismo tiempo, desde la perspectiva del dispositivo, nos gustaría determinar la dependencia de la temperatura y la frecuencia del efecto del diodo SC para que esto pueda extenderse a superconductores de mayor temperatura, además de imaginar una computación robusta y rápida".

Más información: Yasen Hou et al, Efecto de diodo superconductor ubicuo en películas delgadas superconductoras, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.027001

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