Efecto de proximidad (superconductividad)

El efecto de proximidad o efecto Hill-Meissner  es un término utilizado en el campo de la superconductividad para describir los fenómenos que ocurren cuando un superconductor (S) está en contacto con un no superconductor "normal" (N). Por lo general , la temperatura crítica de un superconductor disminuye y se observan signos de superconductividad débil en un material normal a distancias mesoscópicas . El efecto de proximidad se conoce desde el trabajo pionero de R. Holm y W. Meissner [1] . Observaron resistencia cero en los contactos SNS presionados, en los que dos metales superconductores están separados por una película delgada de metal no superconductor (es decir, normal). El descubrimiento de la sobrecorriente en los contactos SNS a veces se atribuye erróneamente al trabajo de Brian Josephson en 1962, pero este efecto se conocía mucho antes de su publicación y se entendía como el efecto de proximidad [2] .

La naturaleza del efecto

Los electrones en el estado superconductor de un superconductor están ordenados de manera muy diferente a los de un metal ordinario, es decir, forman pares de Cooper . Además, no se puede decir que los electrones en el material tengan una determinada posición debido a la complementariedad de momento y posición. En la física del estado sólido, generalmente se elige una base de espacio-momento, y todos los estados electrónicos se llenan con electrones hasta la superficie de Fermi en un metal o hasta la energía del borde de la brecha en un superconductor.

Debido a la no localidad de los electrones en los metales, sus propiedades no pueden cambiar infinitamente rápido. En un superconductor, los electrones se ordenan en forma de pares de Cooper superconductores; en un metal normal, el orden electrónico no tiene espacios (los estados de un electrón se llenan hasta la superficie de Fermi ). Si se combinan un superconductor y un metal normal, entonces el orden electrónico en un sistema no puede cambiar abruptamente e infinitamente a otro orden en el límite. En cambio, el estado emparejado en la capa superconductora se transfiere al metal normal, donde el emparejamiento se destruye por dispersión, lo que hace que los pares de Cooper pierdan su coherencia. Para metales muy puros, como el cobre de alta pureza , la formación de vapor puede persistir durante cientos de micrones.

Lo contrario también es cierto, el orden electrónico (sin espacios) presente en un metal normal también se transfiere al superconductor, ya que el espacio superconductor disminuye cerca de la interfaz.

El modelo microscópico que describe este comportamiento en términos de procesos de un electrón se ha denominado reflexión de Andreev . Describe el proceso de cómo los electrones en un material adquieren el orden de la capa vecina, teniendo en cuenta la transparencia del límite y el estado (en el otro material) desde el cual los electrones pueden dispersarse.

Resumen

Como efecto de contacto, el efecto de proximidad está íntimamente relacionado con fenómenos termoeléctricos como el efecto Peltier o la formación de uniones pn en semiconductores . Se produce un aumento del efecto de proximidad cuando el material normal es un metal con un alto coeficiente de difusión, y no un metal o aislante contaminado (I). La mayor supresión del efecto de proximidad en un superconductor de espín singlete se produce cuando el material normal es un ferromagnético, ya que la presencia de un campo magnético interno atenúa la superconductividad ( ruptura del par de Cooper ).

Investigación

El estudio de las capas dobles y multicapa S/N, S/I y S/S' (S' es el superconductor inferior) ha sido el área más activa de investigación sobre el efecto de proximidad superconductora. El comportamiento de la heteroestructura en la dirección paralela a la interfase difiere del comportamiento perpendicular a la interfase. En los superconductores de tipo II sujetos a un campo magnético paralelo a la interfaz, los defectos de vórtice se nuclearán predominantemente en las capas N o I, y se observa una divergencia en el comportamiento de los pares de enfriadores a medida que el campo creciente hace que penetren en la capa. S-capas. En los superconductores de tipo I, el flujo penetra primero de manera similar en la capa N. Tales cambios cualitativos no ocurren cuando se aplica un campo magnético perpendicular a la interfaz S / I o S / N. En multicapas S / N y S / I a bajas temperaturas, la mayor profundidad de penetración y longitud de coherencia de los pares de Cooper permite la Capas S para mantener un estado cuántico tridimensional mutuo. A medida que aumenta la temperatura, se rompe la conexión entre las capas S, lo que conduce a una transición a un comportamiento bidimensional. El comportamiento anisotrópico de las bicapas y multicapas S/N, S/I y S/S proporcionó la base para comprender los fenómenos de campo crítico mucho más complejos observados en  superconductores de alta temperatura de cuprato altamente anisotrópicos .

En 2007, un grupo de investigadores observó el efecto de proximidad en el grafeno [3] . Los experimentos se llevaron a cabo en muestras a nanoescala hechas de capas separadas de grafeno con electrodos superconductores de titanio de 10  nm y película de aluminio de 70 nm superpuestos. El aluminio es un superconductor responsable de la superconductividad del grafeno. La distancia entre los electrodos estaba entre 100 nm y 500 nm. El efecto de proximidad se manifiesta en la observación de sobrecorriente, es decir, corriente que fluye a través del grafeno con voltaje cero en la unión. Utilizando un electrodo de compuerta, los estudios han demostrado que el efecto de proximidad ocurre tanto cuando los portadores en el grafeno son electrones como cuando los portadores son huecos. La corriente crítica de los dispositivos estaba por encima de cero incluso en el punto de neutralidad eléctrica .

El vórtice de Abrikosov y el efecto de proximidad

Un vórtice cuántico con un núcleo claramente definido puede existir en una capa bastante gruesa de metal normal en contacto con un superconductor [4] .

Notas

  1. ↑ Holm, R. (1932). “Messungen mit Hilfe von flussigem Helium. XIII. Z Phys . 74 (11-12). Código Bib : 1932ZPhy...74..715H . doi : 10.1007/ bf01340420 .
  2. ↑ Meissner, H. (1960). “Superconductividad en contactos con barreras interpuestas”. física Rev. _ 117 (3): 672-680. Código Bib : 1960PhRv..117..672M . DOI : 10.1103/physrev.117.672 .
  3. ↑ Heersche, HB (2007). "Supercorriente bipolar en grafeno". naturaleza _ 446 (7131): 56-59. arXiv : cond-mat/0612121 . Código Bib : 2007Natur.446...56H . DOI : 10.1038/naturaleza05555 .
  4. ↑ Stolyarov, Vasily S. (11 de junio de 2018). “Expansión de un núcleo de vórtice superconductor en un metal difusivo”. Comunicaciones de la Naturaleza . 9 (1). DOI : 10.1038/s41467-018-04582-1 .


Literatura