El artículo «Extremely long-range, high-temperature Josephson coupling across a half-metallic ferromagnet« D. Sanchez-Manzano, S. Mesoraca, F. A. Cuellar, M. Cabero, V. Rouco, G. Orfila, X. Palermo, A. Balan, L. Marcano, A. Sander, M. Rocci, J. Garcia-Barriocanal, F. Gallego, J. Tornos, A. Rivera, F. Mompean, M. Garcia-Hernandez, J. M. Gonzalez-Calbet, C. Leon, S. Valencia, C. Feuillet-Palma, N. Bergeal, A. I. Buzdin, J. Lesueur,Javier E. Villegas and J. Santamaria, publicado en Nature Materials, ha sido seleccionado como el artículo destacado del año 2022. https://www.nature.com/articles/s41563-021-01162-5

Resumen:

El potencial de la superconductividad no ha hecho más que crecer desde el descubrimiento de la superconductividad de alta temperatura (HTCS por sus siglas en inglés) por parte de Bednorz y Mûller en los 1986 (Premio nobel de Fisica en 1987). De hecho, este tipo de materiales ya se usan en la actualidad para la producción de grandes campos magnéticos, la fabricación de cables para la transmisión de la corriente eléctrica o en grandes nodos de la red eléctrica. Se espera que la HTCS aporte nuevos avances en diversos campos y que sea una de las tecnologías clave del siglo XXI, ya que, por ejemplo, se investiga intensamente en el desarrollo de circuitos superconductores para los nuevos ordenadores cuánticos.

De otro lado, la espintrónica lleva ya muchos años formando parte de nuestra vida, siendo uno de los campos científicos que desde su nacimiento (en 1988 cuando A. Fert y P. Gruenberg descubrieron separadamente la magnetoresistencia gigante en multicapas metálicas, por lo que recibieron el Premio Nobel de Fisica en 2007) más rápido llegó a la industria. Nueve años después de su descubrimiento, IBM introdujo la espintrónica en el desarrollo de cabezas lectoras de discos duros de ordenador, lo que logró aumentar considerablemente la densidad de información que era posible almacenar en un disco duro. Actualmente, la espintrónica está ampliamente presente en las memorias MRAM, que usan muchos de los aparatos electrónicos actuales. Además, es una de las tecnologías más prometedoras llamadas a superar las limitaciones de los dispositivos semiconductores basados en Si, así como aumentar su rapidez y eficiencias en el futuro.

La espintrónica superconductora representa la fusión de estos dos campos y explota el estado de resistencia cero y los efectos cuánticos macroscópicos de la superconductividad, y el control del espín en materiales ferromagnéticos de la espintrónica.

Estás dos propiedades de los materiales, superconductividad y ferromagnetismo, normalmente no pueden coexistir en un mismo material. La superconductividad (singlete) se basa en el estado ligado que forman los pares de electrones (pares de Cooper, que median en la superconductividad) tengan espines antiparalelos, mientras que el ferromagnetismo se basa en una interacción que hace que los espines se orienten paralelamente. Sin embargo, recientemente distintos grupos de investigación de todo el mundo, ayudados por numerosos estudios teóricos, han conseguido inducir supercorrientes en materiales ferromagnéticos [Eschrig, M. Phys. Today 64, 43–49 (2011)]. Estas supercorrientes se deben a pares de electrones con estructura triplete, en los que los espines de los electrones están alineados paralelamente. Estos avances han sido posibles usando superconductores convencionales, con experimentos a muy bajas temperaturas, normalmente a temperaturas de Helio líquido (4K). Ahora la pregunta es, si mediante el uso de superconductores de alta temperatura crítica no se podría desarrollar una espintrónica superconductora a temperaturas más altas.

Figura: a) Imagen de microscopía electrónica (TEM) de la interfase YBCO/LSMO, donde se ve la muy alta calidad de los dispositivos. b) Curvas de resistencia frente a temperatura mostrando una transición superconductora del LSMO en torno a 40K (Tc del YBCO = 87K). c) Patrón de Fraunhofer de la unión en función del ángulo del campo magnético respecto a la unión. d) Shapiro steps medidos en la unión bajo iluminación con radiación microondas.

En este articulo hemos conseguido obtener una supercorriente de tripletes a través de un material ferromagnético (medio-metálico) a relativamente altas temperaturas (40K) sobre distancias muy largas (1 μm). Para ello, hemos fabricado uniones de YBa2Cu3O7 (YBCO, un HTCS) y La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO, un ferromagnético medio-metálico) usando sputtering de alta presión de oxígeno y diversos pasos de litografía electrónica. Gracias al efecto de proximidad superconductor, por el cual las correlaciones superconductoras pueden pasar a un material en contacto con este, y a las propiedades magnéticas del LSMO, conseguimos inducir la supercorriente completamente polarizada en spin. Hemos medido tanto patrones de Fraunhofer como Saphiro steps, probando inequívocamente que nos encontramos antes una unión Josephson ferromagnética. Además, hemos descubierto que la generación de esta supercorriente es altamente eficiente y robusta incluso aplicando campos magnéticos relativamente grandes y hasta temperaturas de 40 K. Actualmente el uso de criostatos que llegan a estas temperaturas está ampliamente extendido, ocupando estos el tamaño aproximado de una lata de refresco y consumiendo poca energía. El hecho de que este efecto de proximidad ocurra a temperaturas relativamente altas, cercanas a la temperatura del nitrógeno líquido hace que posibles aplicaciones prácticas estén mucho más cerca de convertirse en realidad.

En resumen, este trabajo, además de demostrar un novedoso efecto de proximidad ferromagnético superconductor con superconductores de alta temperatura critica, abre la puerta a nuevos y excitantes avances en espintrónica superconductora.