Магнитная ручка для сверхпроводящего оркестра ✛
Сверхпроводник напоминает оркестр, который играет без единой фальшивой ноты, пока дирижёр не повернёт ручку настройки. В новой работе такой ручкой оказалась магнитная история никелевых контактов. Учёные создали сверхпроводящие микромембраны из оксидов LaAlO3 и SrTiO3, где на границе двух материалов возникает тонкий слой свободных электронов — двумерный электронный газ. К этому скрытому слою подвели ферромагнитные никелевые контакты через боковую стенку, что раньше считалось почти невозможным.
Все три устройства переходили в сверхпроводящее состояние при температуре от 100 до 200 милликельвинов, то есть чуть выше абсолютного нуля. Ток по такому проводнику идёт без сопротивления, как вода по идеально гладкой трубе. Но рядом лежат намагниченные никелевые контакты, и их магнитное поле мешает электронам двигаться парами. Оказалось, что внешним магнитным полем можно точно скомпенсировать это влияние: сопротивление падало до нуля не в нулевом поле, а при сдвиге примерно на 45 миллитесла в ту или иную сторону.
Магнитное поле от контактов действует на электроны как боковой ветер на бегуна. При поле, направленном вдоль плоскости мембраны, критический ток оказался примерно в пять раз больше, чем при перпендикулярном поле. Причина проста: поле рассеяния от тонких никелевых плёнок слабее в плоскости, поэтому электронам легче сохранять парный танец. Учёные построили модель, которая связывает внешнее поле, намагниченность контактов и эффективное поле, которое чувствует сверхпроводник. Коэффициент связи составил 1.69×10⁻⁷ генри на метр, что позволило восстановить петлю намагниченности никеля прямо из транспортных измерений.
Раньше было неясно, можно ли соединить ферромагнитные контакты со сверхпроводящим двумерным газом на заглублённом интерфейсе, не разрушив сверхпроводимость. Теперь показано, что можно. Более того, магнитное состояние контактов работает как ручка настройки: поворачивая её, мы меняем эффективное поле в двумерном газе и управляем критическим током. Это первый случай, когда сверхпроводник и ферромагнетик сосуществуют в одной оксидной микромембране с боковым контактом.
Оркестр из первой фразы теперь звучит иначе. Мы не просто слушаем его игру, а можем поворачивать ручку настройки, зная, что каждая нота зависит от того, как ручку крутили раньше. Следующий шаг — научиться управлять двумя контактами независимо, чтобы получить переход ферромагнетик–сверхпроводник–ферромагнетик и проверить, рождаются ли там триплетные куперовские пары. Тогда сверхпроводящая спинтроника перестанет быть обещанием и станет рабочим инструментом.
Компенсационное поле ±45 мТ соответствует намагниченности никеля около 2.5×10⁵ А/м, что близко к насыщению тонких плёнок никеля. Это значит, что при таком поле контакты всё ещё полностью намагничены, и их поле рассеяния можно точно компенсировать внешним полем.