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Aug 16, 2023

Física

Los diodos semiconductores conducen la corriente en una dirección pero no en la otra, lo que les brinda innumerables aplicaciones en electrónica. Su propiedad unidireccional es posible gracias a una diferencia en la conducción.

Los diodos semiconductores conducen la corriente en una dirección pero no en la otra, lo que les brinda innumerables aplicaciones en electrónica. Su propiedad unidireccional es posible gracias a una diferencia en el comportamiento conductor de los dos tipos de portadores de carga: electrones y huecos. Los diodos superconductores también podrían resultar útiles en sensores y otros dispositivos. Pero como las supercorrientes tienen un solo tipo de portador (electrones en los llamados pares de Cooper), crear un diodo superconductor es más difícil. En 2020, los investigadores demostraron un efecto de diodo en un dispositivo superconductor hecho de un material en capas que requería un apilamiento preciso, un fuerte acoplamiento entre giro y órbita y una forma única de emparejamiento de Cooper [1]. Ahora, Jagadeesh Moodera, del Instituto Tecnológico de Massachusetts, y sus colaboradores han creado un diodo superconductor que es más eficaz, de diseño más sencillo e independiente de los efectos electrónicos esotéricos [2].

El diseño del diodo del equipo consta de una fina tira de niobio o vanadio. A diferencia de la mayoría de los superconductores de un solo elemento, el niobio y el vanadio son superconductores de tipo II, lo que significa que un campo magnético aplicado con la intensidad adecuada induce la formación de vórtices de supercorriente que giran en el mismo sentido. Moodera y sus colegas aplicaron dicho campo perpendicular a la superficie de su dispositivo, induciendo vórtices dentro de la franja, así como supercorrientes (llamadas corrientes de Meisner) a lo largo de los bordes de la franja. Vista desde arriba, una corriente de borde fluía hacia la derecha (en la dirección "hacia adelante") y la otra hacia la izquierda (en la dirección "inversa"). Luego, los investigadores enviaron una corriente externa a través de los extremos de la tira, tanto en dirección directa como inversa, y midieron la corriente neta para cada caso.

En principio, las corrientes de borde de contrapropagación son iguales, por lo que sus contribuciones a la corriente neta deberían cancelarse. Pero en la práctica, la fabricación de una tira resulta inevitablemente en diferencias estructurales entre los dos bordes. El equipo del MIT descubrió que esa asimetría accidental era lo suficientemente grande como para dar como resultado una eficiencia del diodo del 20%, definida como la diferencia entre las corrientes netas directa e inversa, dividida por la suma. Los investigadores descubrieron que podían aumentar la eficiencia del diodo hasta un 50% añadiendo deliberadamente muescas en uno de los bordes. Pero obtuvieron una eficiencia del 65%, el valor más alto observado hasta ahora, reemplazando el campo magnético aplicado por el campo intrínseco de una capa superior de un aislante ferromagnético, el sulfuro de europio.

En efecto, Moodera y sus colegas han demostrado que en los superconductores ordinarios está presente un efecto de diodo gigante que resulta de la ruptura de una simetría geométrica simple. Dichos diodos superconductores podrían encontrar un uso inmediato en la electrónica superconductora y un uso futuro en circuitos superconductores o qubit topológicos, dice Moodera.

Philip Moll estudia materiales cuánticos en el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia en Alemania. Señala que la observación de un gran efecto de diodo en superconductores de un solo elemento es importante porque su simplicidad hará que las aplicaciones sean más fáciles y escalables. "Lo bueno del trabajo de Moodera y sus colegas es que obtuvieron eficiencias récord sin siquiera intentarlo", afirma. "Sus estructuras están lejos de estar optimizadas todavía".

–Día de Carlos

Charles Day es editor senior de la revista Physics.

Yasen Hou, Fabrizio Nichele, Hang Chi, Alessandro Lodesani, Yingying Wu, Markus F. Ritter, Daniel Z. Haxell, Margarita Davydova, Stefan Ilić, Ourania Glezakou-Elbert, Amith Varambally, F. Sebastian Bergeret, Akashdeep Kamra, Liang Fu, Patrick A. Lee y Jagadeesh S. Modera

Física. Rev. Lett. 131, 027001 (2023)

Publicado el 13 de julio de 2023

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