Magnetic metasurfaces and superconductor materials for advanced sensors and spintronics

Abstract

Els metamaterials amb estructures dissenyades s’han investigat àmpliament per la seva capacitat de manipular ones òptiques, acústiques i tèrmiques. En particular, els metamaterials magnètics, amb una geometria, forma i disposició precises dels seus blocs elementals, poden emprar-se per concentrar, enfocar o guiar camps magnètics. Aquesta capacitat és especialment rellevant per al desenvolupament de dispositius electrònics avançats com telèfons intel·ligents, rellotges o ulleres intel·ligents. Per millorar aquests sistemes, cal escalar els components a dimensions micro i nanoscòpiques. En aquest context, desenvolupem concentradors de flux magnètic a escala micro i nano, que podrien oferir un millor rendiment i major aplicabilitat tecnològica.

Per estudiar l’amplificació del camp magnètic, cal un sensor capaç de mesurar-ne la intensitat dins del concentrador. Avaluem la viabilitat de diversos sensors magnètics estàndard, com la Magnetoresistència Anisotròpica, sondes de tipus Pole Barber i sensors d’Efecte Hall Planar (PHE). Aquests últims són especialment atractius per la seva alta sensibilitat, estabilitat tèrmica i facilitat de fabricació. En aquest treball, implementem sensors PHE per analitzar Concentradors de Flux Magnètic (MFC) a escala micro i nano, requerint un ampli rang de camp magnètic per quantificar-ne el guany màxim.

D’altra banda, explorem l’ús de metasuperfícies de permalloy (Py), un material magnètic tou, per modificar localment les propietats d’altres estructures magnètiques. Estudiem la resposta d’un sensor de cobalt (Co) situat al nucli d’una metasuperfície de Py sotmès a camps magnètics en el pla, mitjançant l’Efecte Hall Planar. Descobrim que una selecció adequada dels paràmetres geomètrics de la metasuperfície pot augmentar la sensibilitat del sensor en dos ordres de magnitud. Aquest fenomen es valida mitjançant simulacions micromagnètiques, models de transport i mesures de fotoemissió d’electrons amb contrast de dicromisme circular magnètic (XMCD). Aquest enfocament pot millorar significativament el rendiment de dispositius magnètics funcionals mitjançant el disseny estructural de materials.

Finalment, presentem un estudi sobre el transport d’espín en materials superconductors d’alta temperatura, amb potencial aplicació en espintrònica. La integració de l’espintrònica amb superconductors és prometedora, ja que combina la conducció sense pèrdues amb funcionalitats basades en l’espín. Un repte clau és la manca de polarització d’espín en superconductors convencionals, deguda als parells de Cooper en estat singlet. No obstant això, mitjançant estructures híbrides amb ferromagnètics, s’han aconseguit estats triplet i quasipartícules polaritzades.

En aquest estudi, informem d’una gran magnetoresistència anisotròpica i un efecte Hall planar notable al voltant de la transició superconductora en el superconductor de cuprat (YBCO), sense ferromagnet de proximitat. Aquests efectes, inèdits en cuprats centrosimètrics, apunten a un transport de quasipartícules polaritzades per espín, impulsat per un fort acoblament espín-òrbita. Variacions sistemàtiques del camp magnètic, temperatura, orientació i dopatge mostren evidències clares d’aquest transport. Això revela un paisatge inesperat d’interaccions espín-òrbita en cuprats i obre noves possibilitats per a funcionalitats espintròniques en superconductors d’alta temperatura.

Los metamateriales con estructuras diseñadas han sido ampliamente estudiados por su capacidad para manipular ondas ópticas, acústicas y térmicas. En particular, los metamateriales magnéticos, con una geometría, forma y disposición precisa de sus bloques elementales, pueden utilizarse para concentrar, enfocar o guiar campos magnéticos. Esta propiedad resulta especialmente relevante para el desarrollo de dispositivos electrónicos avanzados como teléfonos inteligentes, relojes o gafas inteligentes. Para mejorar estos sistemas, es necesario escalar sus componentes a dimensiones micro y nanoscópicas. En este contexto, desarrollamos concentradores de flujo magnético a micro y nanoescala, con el objetivo de mejorar su rendimiento y aplicabilidad tecnológica.

El estudio de la amplificación del campo magnético requiere sensores capaces de medir su intensidad dentro del concentrador. Evaluamos la viabilidad de diferentes sensores magnéticos estándar, como la Magnetorresistencia Anisotrópica, sondas tipo Pole Barber y sensores basados en el Efecto Hall Planar (PHE). Estos últimos son especialmente atractivos por su alta sensibilidad, estabilidad térmica y facilidad de fabricación. En este trabajo, implementamos sensores PHE para analizar Concentradores de Flujo Magnético (MFC) a micro y nanoescala, lo que requiere un amplio rango de operación para cuantificar la máxima ganancia posible.

Por otro lado, exploramos el uso de metasuperficies de permalloy (Py), un material magnético blando, para modificar localmente las propiedades de otras estructuras magnéticas. Estudiamos la respuesta de un sensor de cobalto (Co) situado en el núcleo de una metasuperficie de Py, sometido a campos magnéticos en el plano mediante el Efecto Hall Planar. Descubrimos que una adecuada elección de los parámetros geométricos de la metasuperficie puede aumentar la sensibilidad del sensor en dos órdenes de magnitud. Este fenómeno se valida mediante simulaciones micromagnéticas, modelos de transporte y medidas de fotoemisión electrónica con contraste de dicroísmo circular magnético (XMCD). Este enfoque puede mejorar notablemente el rendimiento de dispositivos funcionales magnéticos mediante el diseño estructural de materiales.

Finalmente, presentamos un estudio sobre el transporte de espín en materiales superconductores de alta temperatura, con potencial aplicación en espintrónica. La combinación de espintrónica con superconductividad ofrece una plataforma prometedora, al unir la conducción sin pérdidas con funcionalidades basadas en el espín. Un desafío clave es la falta de polarización de espín en superconductores convencionales, debido a que los pares de Cooper en estado singlete no presentan espín neto. Sin embargo, mediante estructuras híbridas superconductor/ferromagnético, se han conseguido estados triplete y cuasipartículas polarizadas por espín.

En este estudio, reportamos una magnetorresistencia anisotrópica muy elevada y un marcado efecto Hall planar cerca de la transición de fase superconductora en el cuprato de alta temperatura (YBCO), sin necesidad de un ferromagneto de proximidad. Estos efectos, sin precedentes en cupratos centrosimétricos, emergen del transporte de cuasipartículas polarizadas por espín mediado por un fuerte acoplamiento espín-órbita. Al ajustar sistemáticamente la intensidad y orientación del campo magnético, así como la temperatura y el dopaje, mostramos evidencias claras de fenómenos de transporte inducidos por acoplamiento espín-órbita en una clase de materiales donde antes se creía inexistente. Estos resultados revelan un panorama inesperado de interacciones espín-órbita en cupratos y abren una vía hacia nuevas funcionalidades espintrónicas en superconductores de alta temperatura.

Metamaterials with engineered structures have been extensively investigated for their capability to manipulate optical, acoustic, or thermal waves. In particular, magnetic metamaterials with precise geometry, shape, size and arrangement of their elemental blocks may be used to concentrate, focus, or guide magnetic fields. Specifically, their application to concentrate the magnetic field could attract special interest in the field in the novel electric devices such smart phones, watches and even intelligent glasses. Nowadays, the basis to improve these systems is to scale to the nano and micro dimensions of all the involved components. In this way, we aim to developed magnetic flux concentrators in the micro- and even in the nano- scale which are expected to further improve the performance and the applicability to the new technological applications. The study of the enhancement of magnetic field requires a magnetic sensor able to quantify the strength of magnetic field amplification and present high dimensional adaptability to be placed inside the magnetic concentrator. Here we show a detailed study of compatibility and viability for different standard magnetic sensors such as Anisotropic Magnetoresistance, Pole Barber and Planar Hall Effect probes. Specifically, Planar Hall effect (PHE) sensors have been studied widely in a different system and applications due to its interesting properties, such as high sensitivity, thermal stability, and easy fabrication. In this case, we aimed to implement this type of sensor to sense and analyse Magnetic Flux Concentrators (MFC) in the micro- and nano- scale , which requires high magnetic field range of operation to be able to quantify the maximum gain as possible.\\

In this work, we show the potential of using soft-magnetic permalloy (Py) metasurfaces to tailor the physical properties of other magnetic structures at the local scale. As an illustration, the magnetic response of a Cobalt (Co) sensor bar placed at the core of a Py metasurface is investigated as a function of in-plane magnetic fields through the PHE. Our findings reveal that by appropriately selecting metasurface geometrical parameters, the sensitivity of the Co sensor can be dramatically increased by two orders of magnitude. Micromagnetic simulations, coupled with magneto-transport equations and X-ray photoemission electron measurements (XPEEM) with contrast from magnetic circular dichroism (XMCD), accurately capture this effect and provide insights into the underlying physical mechanisms. These findings can potentially enhance the performance and versatility of magnetic functional devices by using specifically designed structural magnetic materials.

Moreover, this manuscript also offers a detailed study of magneto-transport measurements in High Temperature superconducting materials to analyses its potential application in spintronics. Spin transport in superconductors offers a compelling platform to merge the dissipationless nature of superconductivity with the functional promise of spin-based electronics. A significant challenge in achieving spin polarisation in conventional superconductors stems from the singlet state of Cooper pairs, which exhibit no net spin. The generation of spin-polarised carriers, quasiparticles, or triplet pairs in superconductors has predominantly been realised through hybrid superconductor/ferromagnet systems through proximity-induced spin polarisation. Historically, cuprate superconductors have been characterised by strong electronic correlations but negligible spin-orbit coupling. Here, we report exceptionally large anisotropic magnetoresistance and a pronounced planar Hall effect arising near the superconducting phase transition in the prototypical high-temperature cuprate superconductor YBCO without using a proximity ferromagnet. These effects, unprecedented in centrosymmetric cuprates, emerge from spin-polarised quasiparticle transport mediated by strong spin-orbit coupling. By systematically tuning magnetic field strength, orientation, temperature, and doping, we show clear evidence of spin-orbit-driven transport phenomena in a material class long thought to lack such interactions. Our findings reveal an unexpected spin-orbit landscape in cuprates and open a route to engineer spintronic functionalities in high-temperature superconductors.