Universidad Autónoma de Madrid. Madrid (Spain)
May 18th, 2023
Summary:
Esta tesis está centrada en el estudio del transporte electrónico en uniones túnel epitaxiales formadas por materiales superconductores y ferromagnéticos, con el objetivo de comprender las interacciones entre estos dos tipos de materiales en presencia de interacción espín-órbita interfacial y de filtraje de simetría electrónica y de espín. Además, también se ha estudiado por primera vez el ruido de disparo en sistemas híbridos ferromagnético-superconductor epitaxiales. Los resultados obtenidos abren nuevas líneas de investigación en el campo de la espintrónica superconductora, estableciéndola como una herramienta mucho más generalizada en la física de materiales, con interacciones con otros campos y potenciales aplicaciones en ámbitos como la computación cuántica o el diseño de memorias criogénicas no disipativas.
Durante las últimas décadas, los desarrollos tecnológicos en el procesamiento y almacenamiento de información han seguido por la ley de Moore, que predecía que cada dos años se duplicaría la capacidad de procesamiento de los ordenadores. Hoy en día, el tamaño de los transistores está llegando a un límite en el que los fenómenos cuánticos empiezan a ser relevantes, por lo que no pueden reducirse más. Como consecuencia, los nuevos procesadores apilan más unidades en paralelo para mantenerse artificialmente al día con la ley de Moore. Esto, unido a la enorme cantidad de almacenamiento necesario (que sigue creciendo), provoca que el nuevo cuello de botella en la computación se esté desplazando hacia la eficiencia energética y la baja disipación. De hecho, en muchos de los superordenadores y centros de datos más modernos, una cantidad significativa de espacio y energía se emplea simplemente en mantener refrigerados los sistemas.
El trabajo de esta tesis se centra en aportar soluciones ante este problema. Recientemente, la investigación básica ha comenzado a explorar formas no convencionales de tecnologías informáticas y de almacenamiento de información. Aunque los sistemas estudiados están lejos de ser comercialmente competitivos, se están dando los primeros pasos para lograr mejores memorias y capacidades de procesamiento. En nuestro caso, la posible solución se aborda desde el campo de la espintrónica superconductora, que actualmente se centra en desarrollar memorias criogénicas no disipativas necesarias para el funcionamiento de los ordenadores cuánticos. La espintrónica superconductora es el resultado de la combinación de dos ramas bien establecidas de la física de la materia condensada: la superconductividad y la espintrónica.
La espintrónica estudia el aprovechamiento de la carga y el espín de los electrones para transmitir y almacenar información. Ya es una herramienta fundamental en la electrónica, habiendo proporcionado avances como los discos duros magnéticos, que utilizan regiones magnéticas en materiales ferromagnéticos como bits. La espintrónica ofrece la posibilidad de almacenar información con una alta densidad y electrónica con baja disipación, ya que dependiendo del diseño del dispositivo, la carga no tiene que ser necesariamente transportada, evitando muchas pérdidas de energía por calentamiento debido al efecto Joule.
En cuanto a la superconductividad, también es un campo de investigación muy activo por varias razones. Desde un punto de vista fundamental, la teoría moderna de la superconductividad (teoría BCS) sigue siendo un modelo fenomenológico que no se puede derivar (a día de hoy) de primeros principios. Esto ha impulsado la actividad teórica y experimental en busca de una explicación completa para un comportamiento tan exótico de la materia. Desde una perspectiva más aplicada, los materiales superconductores ofrecen la posibilidad de desarrollar electrónica sin disipación de energía, lo que supondría un cambio de paradigma, tanto para la electrónica en general como para los anteriormente mencionados ordenadores cuánticos y sus memorias criogénicas no volátiles.
Sin embargo, queda mucho trabajo por hacer: en primer lugar, la superconductividad a temperatura ambiente aún está lejos de ser una posibilidad real, lo cual es crucial para cualquier aplicación comercial. En segundo lugar y más importante: los materiales ferromagnéticos y superconductores no combinan bien en general. Esto se debe principalmente a las escalas de energía involucradas y la tendencia de los superconductores a expulsar campos magnéticos (efecto Meissner). Sin embargo, existen algunas vías para eludir este problema e incluso explotarlo a nuestro favor, y este es precisamente el tema central de esta tesis. Se han publicado muchos trabajos sobre materiales ferromagnéticos afectando a la superconductividad, pero hasta ahora se ha investigado poco sobre cómo un material superconductor puede inducir cambios en uno ferromagnético. También había hasta ahora una notable ausencia de publicaciones sobre las fluctuaciones y la dinámica del ruido en sistemas híbridos superconductor/ferromagnético, siendo el estudio del ruido electrónico una poderosa herramienta que puede ayudar a caracterizar las complejas interacciones en este tipo de sistemas.
Una de las interacciones más notables entre la superconductividad y el magnetismo es la posibilidad de generar pares de Cooper de tipo triplete con espín paralelo, que permite que las correlaciones superconductoras sobrevivan en los materiales ferromagnéticos. En este sentido, los resultados de esta tesis establecen la interacción espín-órbita como una poderosa herramienta para controlar la generación de estos pares de Cooper, allanando el camino hacia el desarrollo de dispositivos que combinen superconductividad y magnetismo, lo que sería un impulso definitivo para las aplicaciones tecnológicas de la espintrónica superconductora
Esta tesis está estructurada de la siguiente manera:
• En el primer capítulo se explican y discuten todos los conceptos básicos necesarios para comprender los principales resultados de la tesis, con especial énfasis en el transporte de espín y su interacción con la superconductividad.
• El capítulo 2 está dedicado a describir los sistemas que se utilizaron para realizar las medidas experimentales presentadas en la tesis, así como las mejoras y modificaciones que se han realizado durante la duración del trabajo. Este capítulo también contiene una explicación de los programas y procedimientos de simulación numérica que se han utilizado para respaldar y comprender los resultados experimentales durante algunas de las publicaciones.
• El capítulo 3 es el primero en presentar resultados experimentales de esta tesis. Se centra en la caracterización a temperatura ambiente de las muestras estudiadas, con especial interés en el comportamiento de sus propiedades de magnetorresistencia y conductancia bajo la aplicación de voltajes altos.
• El capítulo 4 contiene una serie de resultados relacionados con la superconductividad, el ferromagnetismo y, principalmente, el acoplamiento espín-órbita y su relevancia para las propiedades físicas observadas en las uniones túnel estudiadas.
• El capítulo 5 se divide en dos secciones, que presentan los principales resultados de dos respectivas publicaciones que estudian la modificación de la anisotropía magneto-cristalina de una capa ferromagnética inducida por la superconductividad en las uniones epitaxiales superconductor/ferromagnético estudiadas durante esta tesis.
• El capítulo 6 se centra en las mediciones del ruido de disparo en las mismas uniones túnel. Aquí se discute un fenómeno recientemente descubierto, consistente en un aumento de la señal de ruido en un orden de magnitud por debajo del gap superconductor. Estos resultados aún se están preparando para su publicación, junto con colaboradores teóricos que intentan comprender mejor los procesos que dan como resultado este comportamiento.
• Finalmente, el capítulo 7 contiene un resumen y las conclusiones generales de la tesis.
Descriptors: Superconductivity, Magnetism, Material properties, Solid state devices
Citation:
C. González-Ruano (2023), Proximity effects in epitaxial superconductor/ferromagnet junctions with spin-orbit interaction. Universidad Autónoma de Madrid. Madrid (Spain).
