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El efecto de proximidad o efecto Holm-Meissner es un término utilizado en el campo de la superconductividad para describir los fenómenos que ocurren cuando un superconductor (S) se pone en contacto con un no superconductor "normal" (N). Normalmente, se suprime la temperatura crítica del superconductor y se observan signos de superconductividad débil en el material normal en distancias mesoscópicas . El efecto de proximidad se conoce desde los trabajos pioneros de R. Holm y W. Meissner. [1] Han observado resistencia cero en contactos prensados SNS, en los que dos metales superconductores están separados por una fina película de un metal no superconductor (es decir, normal). El descubrimiento de la supercorriente en los contactos de las redes sociales a veces se atribuye erróneamente al trabajo de Brian Josephson de 1962, pero el efecto se conocía mucho antes de su publicación y se entendía como el efecto de proximidad. [2]
Los electrones en el estado superconductor de un superconductor están ordenados de forma muy diferente que en un metal normal, es decir, están emparejados en pares de Cooper . Además, no se puede decir que los electrones en un material tengan una posición definitiva debido a la complementariedad momento-posición . En física del estado sólido, generalmente se elige una base de momento espacial, 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 localización de los electrones en los metales, las propiedades de esos electrones no pueden cambiar con una rapidez infinita. En un superconductor, los electrones están ordenados como pares de Cooper superconductores; en un metal normal, el orden de los electrones no tiene espacios (los estados de un solo electrón se llenan hasta la superficie de Fermi ). Si se juntan el superconductor y el metal normal, el orden de los electrones en un sistema no puede cambiar de manera infinitamente abrupta al otro orden en la frontera. En cambio, el estado de emparejamiento en la capa superconductora se traslada al metal normal, donde el emparejamiento se destruye por eventos de dispersión, lo que hace que los pares de Cooper pierdan su coherencia. Para metales muy limpios, como el cobre , el emparejamiento puede persistir durante cientos de micras.
Por el contrario, el orden de los electrones (sin espacios) presente en el metal normal también se transfiere al superconductor en el sentido de que el espacio superconductor desciende cerca de la interfaz.
The microscopic model describing this behavior in terms of single electron processes is called Andreev reflection. It describes how electrons in one material take on the order of the neighboring layer by taking into account interface transparency and the states (in the other material) from which the electrons can scatter.
As a contact effect, the proximity effect is closely related to thermoelectric phenomena like the Peltier effect or the formation of pn junctions in semiconductors. The proximity effect enhancement of is largest when the normal material is a metal with a large diffusivity rather than an insulator (I). Proximity-effect suppression of in a spin-singlet superconductor is largest when the normal material is ferromagnetic, as the presence of the internal magnetic field weakens superconductivity (Cooper pairs breaking).
The study of S/N, S/I and S/S' (S' is lower superconductor) bilayers and multilayers has been a particularly active area of superconducting proximity effect research. The behavior of the compound structure in the direction parallel to the interface differs from that perpendicular to the interface. In type II superconductors exposed to a magnetic field parallel to the interface, vortex defects will preferentially nucleate in the N or I layers and a discontinuity in behavior is observed when an increasing field forces them into the S layers. In type I superconductors, flux will similarly first penetrate N layers. Similar qualitative changes in behavior do not occur when a magnetic field is applied perpendicular to the S/I or S/N interface. In S/N and S/I multilayers at low temperatures, the long penetration depths and coherence lengths of the Cooper pairs will allow the S layers to maintain a mutual, three-dimensional quantum state. As temperature is increased, communication between the S layers is destroyed resulting in a crossover to two-dimensional behavior. The anisotropic behavior of S/N, S/I and S/S' bilayers and multilayers has served as a basis for understanding the far more complex critical field phenomena observed in the highly anisotropic cuprate high-temperature superconductors.
Recientemente , el grupo de investigación Morpurgo observó el efecto de proximidad Holm-Meissner en el grafeno . [3] Los experimentos se han realizado en dispositivos a escala nanométrica hechos de capas individuales 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 superconductividad en el grafeno. La distancia entre los electrodos estaba en el rango entre 100 nm y 500 nm. El efecto de proximidad se manifiesta mediante observaciones de una supercorriente, es decir, una corriente que fluye a través de la unión de grafeno con voltaje cero en la unión. Al utilizar electrodos de puerta, los investigadores han demostrado que el efecto de proximidad se produce cuando los portadores en el grafeno son electrones y cuando los portadores son agujeros. La corriente crítica de los dispositivos estaba por encima de cero incluso en el punto de Dirac.
Aquí se muestra que un vórtice cuántico con un núcleo bien definido puede existir en un metal normal bastante grueso, cerca de un superconductor. [4]
