Efecto de proximidad (superconductividad)

El efecto de proximidad o efecto Holm-Meissner es un término utilizado en el campo de la superconductividad para describir fenómenos que ocurren cuando un superconductor (S) se coloca en contacto con un no superconductor "normal" (N). Típicamente, la temperatura crítica${\displaystyle T_{c}}$La superconductividad se suprime y se observan signos de superconductividad débil en el material normal a distancias mesoscópicas . El efecto de proximidad se conoce desde el trabajo pionero de Ragnar Holm y Walther Meissner en 1932. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Observaron resistencia cero en contactos prensados ​​SNS, en los que dos metales superconductores están separados por una película delgada de un metal no superconductor (es decir, normal). El descubrimiento de la supercorriente en contactos SNS a veces se atribuye erróneamente al trabajo de Brian Josephson de 1962, sin embargo, el efecto era conocido mucho antes de su publicación y se entendía como el efecto de proximidad. ^{[ 3 ]} El descubrimiento de este efecto llevó a la invalidación del modelo de Albert Einstein para la superconductividad. ^{[ 2 ]}

En el estado superconductor, los electrones se ordenan de una manera muy diferente a como lo hacen en un metal normal; es decir, se agrupan en pares de Cooper . Además, debido a la complementariedad entre momento y posición, no se puede decir que los electrones en un material tengan una posición definida . En física del estado sólido, generalmente se elige una base en el espacio de momentos, 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 el 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 como pares de Cooper superconductores; en un metal normal, el orden electrónico no tiene brecha (los estados de un solo electrón se llenan hasta la superficie de Fermi ). Si se ponen en contacto el superconductor y el metal normal, el orden electrónico de un sistema no puede cambiar abruptamente al otro en la interfaz. En cambio, el estado de pares en la capa superconductora se transfiere al metal normal, donde el apareamiento se destruye por eventos de dispersión, lo que provoca que los pares de Cooper pierdan su coherencia. Para metales muy puros, como el cobre , el apareamiento puede persistir durante cientos de micras.

Por el contrario, el orden electrónico (sin brecha) presente en el metal normal también se traslada al superconductor, ya que la brecha superconductora se reduce cerca de la interfaz.

El modelo microscópico que describe este comportamiento en términos de procesos de electrones individuales se denomina reflexión de Andreev . Describe cómo los electrones en un material adoptan el orden de la capa vecina, teniendo en cuenta la transparencia de la interfaz y los estados (en el otro material) desde los cuales los electrones pueden dispersarse.

Como efecto de contacto, el efecto de proximidad está estrechamente relacionado con fenómenos termoeléctricos como el efecto Peltier o la formación de uniones pn en semiconductores . La mejora del efecto de proximidad de${\displaystyle T_{c}}$ es mayor cuando el material normal es un metal con una gran difusividad en lugar de un aislante (I). Supresión del efecto de proximidad de${\displaystyle T_{c}}$En un superconductor de espín singlete, la superconductividad es mayor cuando el material normal es ferromagnético, ya que la presencia del campo magnético interno debilita la superconductividad ( ruptura de pares de Cooper ).

El estudio de bicapas y multicapas S/N, S/I y S/S' (donde S' es el superconductor inferior) ha sido un área particularmente activa en la investigación del efecto de proximidad superconductora. El comportamiento de la estructura compuesta en la dirección paralela a la interfaz difiere del comportamiento perpendicular a la interfaz. En los superconductores de tipo II expuestos a un campo magnético paralelo a la interfaz, los defectos de vórtice se nuclean preferentemente en las capas N o I, y se observa una discontinuidad en el comportamiento cuando un campo creciente los fuerza a penetrar en las capas S. En los superconductores de tipo I, el flujo penetra de manera similar primero en las capas N. No se producen cambios cualitativos similares en el comportamiento cuando se aplica un campo magnético perpendicular a la interfaz S/I o S/N. En las multicapas S/N y S/I a bajas temperaturas, las grandes profundidades de penetración y longitudes de coherencia de los pares de Cooper permiten que las capas S mantengan un estado cuántico tridimensional mutuo. A medida que aumenta la temperatura, se destruye la comunicación entre las capas S, lo que resulta en una transición a un comportamiento bidimensional. El comportamiento anisotrópico de las bicapas y multicapas S/N, S/I y S/S' ha servido de base para comprender los fenómenos de campo crítico mucho más complejos observados en los superconductores de alta temperatura de cuprato altamente anisotrópicos .

Recientemente, el grupo de investigación de Morpurgo observó el efecto de proximidad de Holm-Meissner en el grafeno . ^{[ 4 ]} Los experimentos se realizaron en dispositivos a escala nanométrica hechos de monocapas de grafeno con electrodos superconductores superpuestos hechos de películas de titanio de 10 nm y aluminio de 70 nm. El aluminio es un superconductor, responsable de inducir la superconductividad en el grafeno. La distancia entre los electrodos estaba en el rango de entre 100 nm y 500 nm. El efecto de proximidad se manifiesta mediante la observación de una supercorriente, es decir, una corriente que fluye a través de la unión de grafeno con voltaje cero en la unión. Mediante el uso de electrodos de puerta, los investigadores demostraron que el efecto de proximidad ocurre tanto cuando los portadores en el grafeno son electrones como cuando son huecos. La corriente crítica de los dispositivos fue superior a cero incluso en el punto de Dirac.    

Aquí se demuestra que un vórtice cuántico con un núcleo bien definido puede existir en un metal normal bastante grueso, cerca de un superconductor. ^{[ 5 ]}

• Reflexión de Andreev : proceso de dispersión en la interfaz metal normal-superconductor. 
• Efecto Josephson : fenómeno físico cuántico 

• Superconductividad de metales y aleaciones por PG de Gennes , ISBN 0-201-40842-2, un libro de texto que dedica un espacio significativo al efecto de proximidad superconductora (llamado "efecto de borde" en el libro).