Avance hacia la superconductividad en un material ferromagnético

Investigadores de la Universidad Complutense de Madrid y del CNRS-Thales en Francia han descubierto un nuevo mecanismo por el que la superconductividad persiste en un material ferromagnético. Los futuros dispositivos con aplicaciones en espintrónica y computación cuántica se pueden beneficiar del hallazgo.

 

Los científicos Jacobo Santamaría y Carlos León del Grupo de Física de Materiales Complejos de la Universidad Complutense de Madrid (UCM), en colaboración con la Unidad Mixta de Física CNRS-Thales en Palaiseau (Francia), han encontrado la evidencia de la existencia de supercorrientes con polarización de espín.

El espín es una propiedad cuántica de los electrones, sin análogo en una descripción clásica, y que desde su descubrimiento a principios del siglo XX ha permitido entender el comportamiento electrónico de los materiales. El espín de un electrón puede tomar únicamente dos valores bien determinados a los que se asignan direcciones contrarias en el espacio (arriba y abajo).

El trabajo, publicado este mes en la revista Nature Physics, ilustra la posibilidad de generar supercorrientes con polarización de espín en materiales artificiales nanoestructurados basados en óxidos complejos, en un nuevo escenario que puede entenderse como la "unión" de dos campos, la espintrónica y la superconductividad mesoscópica. Estos  efectos pueden tener aplicaciones en diversos frentes que irían desde nuevos dispositivos espintrónicos hasta la computación cuántica.

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Las muestras, producidas en Madrid -en el seno del Campus de Excelencia CEI Moncloa UCM-UPM-, son heteroestructuras que combinan óxidos complejos ferromagnéticos y superconductores de alta temperatura, y han sido medidas en París. La aparición de un fenómeno de interferencia de los estados electrónicos conocido como 'resonancia de McMillan-Rowell' prueba que la corriente superconductora persiste en el ferromagnético a pesar de su carácter teóricamente antagónico.

Ferromagnetismo, espintrónica y superconductividad

El ferromagnetismo es un fenómeno que resulta de una manifestación macroscópica de un estado cuántico de los electrones de un metal en el que sus espines se disponen paralelos entre sí (todos hacia arriba o todos hacia abajo). Si una corriente se inyecta a través de un contacto ferromagnético ésta tendrá sus espines paralelos, y se dice entonces que está polarizada.

La incorporación de estos materiales a los dispositivos electrónicos ha dado lugar a la espintrónica, que explota las propiedades del espín del mismo modo que la electrónica explota las de la carga eléctrica. Este campo ha experimentado un gran avance en la última década y se piensa que puede dar lugar a dispositivos mucho más eficientes que los actuales y representar una alternativa a la tecnología basada en silicio.  

 

 

 

 

Por otra parte, la superconductividad es un estado de la materia antagónico al anterior en el que los electrones se aparean y sus espines se disponen antiparalelos. Los materiales superconductores son capaces de transportar corrientes eléctricas sin consumo de energía, de modo que se ha considerado su posible aplicación para el transporte de la electricidad o para dispositivos electrónicos ultrarrápidos.

En los últimos años se ha realizado un gran esfuerzo en la combinación de ambos fenómenos sobre la base de las aplicaciones a las que podría dar lugar la posibilidad de propagar a largas distancias corrientes superconductoras con polarización de espín. 

 

Un grupo de investigación de la Universidad Complutense de Madrid (UCM), en colaboración con científicos de CNRS-Thales en Francia, descubre un nuevo mecanismo por el que la superconductividad persiste en un material ferromagnético. El descubrimiento tiene especial relevancia para el diseño de futuros dispositivos con aplicaciones en espintrónica y computación cuántica.

Los científicos, Jacobo Santamaría y Carlos León, del Grupo de Física de Materiales Complejos de la Universidad Complutense de Madrid, en el seno del Campus de Excelencia CEI Moncloa UCM-UPM, en colaboración con la Unidad Mixta de Física CNRS-Thales en Palaiseau (Francia) han encontrado la evidencia de la existencia de estas supercorrientes con polarización de espín. Las muestras, producidas en Madrid, son heteroestructuras que combinan óxidos complejos ferromagnéticos y superconductores de alta temperatura, y han sido medidas en París. La aparición de un fenómeno de interferencia de los estados electrónicos conocido como resonancia de McMillan-Rowell prueba que la corriente superconductora persiste en el ferromagnético a pesar de su carácter teóricamente antagónico.

El trabajo, publicado hoy en la revista Nature Physics, ilustra la posibilidad de generar supercorrientes con polarización de espín en materiales artificiales nanoestructurados basados en óxidos complejos, en un nuevo escenario que puede entenderse como la "unión" de dos campos, la espintrónica y la superconductividad mesoscópica. Estos interesantes efectos pueden tener aplicaciones en diversos frentes que irían desde nuevos dispositivos espintrónicos hasta la computación cuántica. 

El espín es una propiedad cuántica de los electrones, que no tiene análogo en una descripción clásica, y que desde su descubrimiento a principios del siglo XX ha permitido entender el comportamiento electrónico de los materiales. El espín de un electrón puede tomar únicamente dos valores bien determinados a los que se asignan direcciones contrarias en el espacio (arriba y abajo).

El ferromagnetismo es un fenómeno que resulta de una manifestación macroscópica de un estado cuántico de los electrones de un metal en el que sus espines se disponen paralelos entre sí (todos hacia arriba o todos hacia abajo). Si una corriente se inyecta a través de un contacto ferromagnético ésta tendrá sus espines paralelos, y se dice entonces que está polarizada. La incorporación de estos materiales a los dispositivos electrónicos ha dado lugar a la espintrónica, que explota las propiedades del espín del mismo modo que la electrónica explota las de la carga eléctrica. Este campo ha experimentado un gran avance en la última década y se piensa que puede dar lugar a dispositivos mucho más eficientes que los actuales y representar una alternativa a la tecnología basada en silicio.  

Por otra parte, la superconductividad es un estado de la materia antagónico al anterior en el que los electrones se aparean y sus espines se disponen antiparalelos. Los materiales superconductores son capaces de transportar corrientes eléctricas sin consumo de energía, de modo que recurrentemente se ha considerado su posible aplicación para el transporte de la electricidad o para dispositivos electrónicos ultrarrápidos.

En años muy recientes se viene realizando un gran esfuerzo en la combinación de ambos fenómenos sobre la base de las interesantísimas aplicaciones a las que podría dar lugar la posibilidad de propagar a largas distancias corrientes superconductoras con polarización de espín.

Fig. 1: Muestra de la combinación de los fenómenos de ferromagnetismo y superconductividad en un
mismo material obtenida por los autores. Fuente: Jacobo Santamaría.

Fuente: Universidad Complutense de Madrid
Autores:
Jacobo Santamaría / Carlos León
Facultad de Ciencias Físicas
Departamento de Física Aplicada III (Electricidad y Electrónica)

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PNICTIDOS DE HIERRO. NUEVA GENERACIÓN DE MATERIALES

IRENE LUCAS DEL POZO GLOBALFOUNDRIES-LEIBNIZ INSTITUTE FOR SOLID STATE AND MATERIALS RESEARCH DRESDEN, INSTITUTE FOR METALLIC MATERIALS, ALEMANIA

A partir del descubrimiento de los superconductores basados en los pnictidos de Fe, se han dedicado grandes esfuerzos a la fabricación de películas delgadas de alta calidad de estos nuevos materiales. Generalmente, los parámetros físicos de materiales masivos muestran siempre una gran diferencia comparados con los de las películas delgadas debido al efecto de las tensiones, a los defectos y por supuesto a la dimensionalidad. Por esta razón, el estudio de películas delgadas abre un amplio rango de posibilidades en cuanto a la optimización de sus propiedades.

Las películas delgadas de la fase Ba(Fe1-xCox)2As2 comúnmente llamadas "Ba-122", son particularmente interesantes debido a su demostrada resistencia a la oxidación y a la degradación debida al vapor de agua, así como a su fácil crecimiento mediante la técnica de Crecimiento por Láser Pulsado (PLD-Pulse Laser Deposition).

Recientemente, se han utilizado capa base de Fe sobre sustratos de MgO para el crecimiento de Ba-122, obtiéndose valores de Tc de 24.8 K y una textura cristalina de gran calidad. Se ha comprobado que la capa intermedia de Fe, crecida previamente al crecimiento del material superconductor Ba-122, mejora claramente la estructura cristalina de dicho material. La razón se encuentra en que el excelente acoplo de red entre la subcapa de Fe, resultante del crecimiento del Ba-122, y la del plano (001) de la superficie del Fe bcc utilizada como capa base, asegura una intercara de alta coherencia. En los sistemas bicapa superconductor/ferromagnético se observa generalmente una reducción del valor de Tc, sin embargo la bicapa Fe/Ba-122 mantiene un valor alto de Tc de alrededor de 24 K.

En este trabajo se ha estudiado mediante RHEED (Reflexion High Electron Energy Diffraction) la estructura cristalina tanto de la superficie de la capa base de Fe, como del propio material superconductor durante el crecimiento por PLD. Se ha observado experimentalmente el ángulo de rotación de 45o existente entre los granos de Fe y los del Ba-122. Además se han obtenido exitosamente películas delgadas de Ba-122 sobre sustratos flexibles de MgO (conductor recubierto-coated conductor) fabricados mediante IBAD (Ion Beam Assisted Deposition), utilizando una capa base intermedia de Fe. La heteroestrutura superconductora obtenida muestra una temperatura de transición superconductora de 21.5 K, un poco menor que la obtenida para películas delgadas de Ba-122 crecido sobre monoscristales de MgO. La dependencia angular de la densidad de corriente crítica Jc(?), muestra un máximo a ? = 90o. Este experimento pone de manifiesto las potenciales aplicaciones como "conductores recubiertos" de los superconductores basados en los nuevos pnictidos de Fe.

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