Investigadores de Tokio y la Universidad de Nueva York crean una unión controlada por voltaje con efecto de diodo superconductor

Un diminuto canal semiconductor da una dirección preferente a la corriente superconductora

Investigadores de la Universidad de Tokio y la Universidad de Nueva York han creado un dispositivo semiconductor que conduce corriente sin resistencia eléctrica con mayor facilidad en una dirección que en la contraria. El dispositivo alcanzó una eficiencia máxima del diodo superconductor del 20%, al combinar el control eléctrico con efectos magnéticos en un canal de apenas 100 nanómetros de longitud.

Los hallazgos, publicados en Communications Materials el 5 de noviembre de 2026, se basan en experimentos realizados a 0,03 kelvin, una temperatura cercana al cero absoluto. Un dispositivo sin electrodo de compuerta condujo una corriente superconductora de hasta 3,00 microamperios. En los dispositivos provistos de compuerta, aplicar un voltaje negativo redujo la corriente máxima que podía fluir sin resistencia.

El equipo de la Universidad de Tokio estuvo integrado por el investigador doctoral Hirotaka Hara, el profesor asociado Le Duc Anh y el profesor Masaaki Tanaka, quienes trabajaron con investigadores de la Universidad de Nueva York, entre ellos el investigador doctoral Lukas Baker y el profesor Javad Shabani. La estructura combina aluminio, arseniuro de indio y antimoniuro de galio con hierro, lo que reúne superconductividad y magnetismo en una misma trayectoria de corriente dentro del semiconductor.

El resultado inmediato es un elemento básico de laboratorio para controlar la corriente superconductora. El anuncio del 5 de noviembre de la Universidad de Tokio señala posibles aplicaciones en dispositivos electrónicos de menor consumo energético y en futuros circuitos cuánticos. El trabajo se encuentra actualmente en la etapa de investigación de los principios de funcionamiento y mejora del control.

Qué construyeron los investigadores

El dispositivo es una unión de Josephson lateral con un canal semiconductor. Una unión de Josephson conecta dos electrodos superconductores mediante un material intermedio corto. Los efectos cuánticos permiten que la corriente atraviese ese material sin generar voltaje, aunque el material no se volvería superconductor por sí solo.

En este caso, dos electrodos de aluminio están sobre una estructura semiconductora, con un canal expuesto de arseniuro de indio entre ellos. El canal mide aproximadamente 100 nanómetros de longitud y 5 micrómetros de ancho. Por tanto, su ancho es unas 50 veces mayor que su longitud.

El arseniuro de indio proporciona la principal trayectoria para la corriente eléctrica. Debajo se encuentra antimoniuro de galio con hierro, escrito como (Ga,Fe)Sb, que aporta influencia magnética. Los electrodos de aluminio aportan influencia superconductora. Un electrodo de compuerta situado sobre el canal permite a los investigadores modificar sus propiedades eléctricas mediante el voltaje.

La descripción como transistor alude a ese control mediante la compuerta. Más precisamente, el artículo de Communications Materials describe uniones de Josephson laterales fabricadas con una estructura de Al/InAs/(Ga,Fe)Sb. El dispositivo incorpora a una unión superconductora el control por voltaje habitual en los transistores semiconductores.

Cómo comparten sus propiedades las capas contiguas

El aluminio se vuelve superconductor cuando se enfría lo suficiente. En ese estado, los electrones forman pares que pueden conducir corriente sin resistencia eléctrica. El magnetismo, en cambio, implica la alineación de las diminutas propiedades magnéticas de los electrones, conocidas como espines. La superconductividad convencional y el ferromagnetismo tienden a contrarrestarse, lo que dificulta combinarlos.

Los investigadores recurrieron a efectos de proximidad para llevar ambas influencias al arseniuro de indio. Un efecto de proximidad se produce cuando el contacto con un material modifica el comportamiento de los electrones en un material vecino. El aluminio induce un comportamiento superconductor en el canal, mientras que el semiconductor magnético situado debajo puede influir en esos mismos electrones.

La capa magnética contenía un 14,6% de hierro y tenía una temperatura de Curie estimada de unos 25 kelvin. La temperatura de Curie es el punto por encima del cual un material pierde su orden ferromagnético. A las temperaturas mucho más bajas utilizadas para las mediciones de superconductividad, la capa de (Ga,Fe)Sb se vuelve eléctricamente aislante, por lo que la corriente circula principalmente por el arseniuro de indio.

En esta disposición, cada capa cumple una función distinta: el arseniuro de indio conduce, el aluminio permite el transporte superconductor y el semiconductor con hierro aporta influencia magnética. Las interfaces compartidas son fundamentales para que esas funciones actúen en conjunto.

Por qué eran importantes las interfaces limpias

El equipo hizo crecer la estructura mediante epitaxia de haces moleculares, un método que deposita capas con gran precisión en el vacío. Todas las capas se fabricaron sin exposición al aire, lo que reduce la contaminación en las interfaces donde se encuentran los materiales.

La estructura semiconductora incluía una capa de arseniuro de indio de 15 nanómetros de espesor sobre una capa magnética de 20 nanómetros. Una fina capa protectora de arseniuro de indio y galio, de 5 nanómetros de espesor, ayudó a formar la interfaz con el aluminio. La película de aluminio tenía 26 nanómetros de espesor.

Las capas semiconductoras se hicieron crecer a 250 grados Celsius para limitar la separación del hierro dentro del material magnético. Posteriormente, el aluminio se depositó a una temperatura inferior a -40 grados Celsius. Esta secuencia permitió al equipo preparar los distintos materiales en condiciones adecuadas para cada uno.

Las imágenes obtenidas con microscopía electrónica mostraron una interfaz limpia y nítida a escala atómica entre el aluminio y la capa protectora semiconductora. El artículo también registra desorden o defectos locales en esa capa. Aun así, las mediciones eléctricas mostraron que la interfaz permitía el paso eficaz del transporte superconductor al semiconductor.

El voltaje fija el límite de la corriente sin resistencia

Los experimentos midieron cuánta corriente podía conducir la unión antes de que apareciera resistencia eléctrica. Ese límite superior se denomina corriente crítica. Por debajo de ese límite, una unión superconductora puede conducir corriente sin generar calor por resistencia eléctrica; por encima, se produce un voltaje.

A 30 milikelvin, equivalentes a 0,03 kelvin, una unión sin compuerta alcanzó una corriente crítica de 3,00 microamperios. A continuación, los investigadores probaron uniones con electrodo de compuerta. Al hacer más negativo el voltaje de la compuerta, se retiraban electrones del canal de arseniuro de indio y disminuía su corriente crítica.

Por tanto, la compuerta ajustaba cuánta corriente superconductora podía soportar el canal. El artículo también indica que la corriente crítica se estabilizaba con voltajes positivos en la compuerta, mientras que la corriente de fuga a través de esta se mantenía por debajo de unos 10 picoamperios en el intervalo de voltaje medido.

El equipo encontró más indicios de acoplamiento entre el aluminio y el semiconductor mediante reflexiones múltiples de Andreev. Se trata de conversiones repetidas entre excitaciones de electrones y huecos en una interfaz superconductora. Sus señales aparecieron en las mediciones eléctricas hasta el sexto orden y ayudaron a los investigadores a evaluar con qué facilidad el transporte superconductor atravesaba las interfaces.

Estas mediciones arrojaron una brecha de energía superconductora de 171 microelectronvoltios. La brecha es una escala de energía asociada a los pares de electrones que sostienen la superconductividad. En conjunto, las mediciones de reflexión y la respuesta a la compuerta muestran cómo conduce corriente el semiconductor bajo la influencia de sus vecinos superconductores.

Qué significa una eficiencia del diodo del 20%

El efecto de diodo apareció cuando los investigadores aplicaron un campo magnético perpendicular a la unión. Entonces, la corriente crítica dependía de la dirección en que circulaba la corriente. En una dirección podía soportarse una corriente mayor sin resistencia que en la dirección opuesta.

Para una corriente situada entre esos dos límites, la unión seguía siendo superconductora en una dirección y presentaba resistencia en la otra. Por debajo de ambos límites, podía mantenerse el transporte superconductor en cualquiera de las dos direcciones. Por tanto, el efecto direccional se produce en un intervalo de corriente concreto.

Los investigadores calcularon la eficiencia del diodo restando la magnitud de la corriente crítica menor de la mayor y dividiendo el resultado por la suma de ambas. El valor máximo fue del 20% y se alcanzó cerca de un mínimo del patrón de interferencia magnética de la unión.

Esta definición permite entender mejor el resultado. Una eficiencia del 20% corresponde a una corriente crítica mayor que es 1,5 veces la menor. A modo de ejemplo, unos límites de 1,5 y 1,0 en las mismas unidades de corriente darían una diferencia de 0,5 dividida por una suma de 2,5, es decir, un 20%. Esas cifras ilustrativas explican la proporción; la eficiencia máxima medida y publicada es del 20%.

La cifra de eficiencia describe la asimetría entre las direcciones de la corriente. El máximo se produjo cerca de un mínimo del patrón de interferencia, donde el campo magnético aplicado reducía el transporte superconductor. Por tanto, el mayor contraste direccional y la mayor capacidad de corriente se dieron en condiciones de funcionamiento distintas.

El historial magnético modifica la respuesta

La unión también respondía de manera diferente según se aumentara o se redujera el campo magnético externo. El campo en el que la corriente superconductora alcanzaba su máximo cambiaba según la dirección del barrido del campo. Los investigadores observaron este comportamiento repetidamente en varios dispositivos, incluidas uniones con y sin compuerta.

Esta dependencia de las condiciones anteriores se denomina histéresis. Es frecuente en los materiales magnéticos, porque su alineación magnética interna conserva cierta memoria de un campo aplicado previamente. En estas uniones, los desplazamientos repetidos son compatibles con una contribución magnética de la capa vecina de (Ga,Fe)Sb al transporte superconductor.

La corriente variaba con el campo magnético en una serie de máximos y mínimos conocida como patrón de interferencia de Fraunhofer. Estos patrones se producen porque la corriente superconductora se comporta como una onda cuántica: las contribuciones de distintas partes de una unión pueden reforzarse o debilitarse unas a otras al cambiar el campo magnético.

Los patrones medidos presentaban máximos irregulares, saltos abruptos del flujo magnético y diferencias entre direcciones opuestas de la corriente. Cerca de uno de los máximos, el período de oscilación era de 0,14 militeslas, frente a una estimación geométrica de 1,13 militeslas. A partir de esa diferencia, el artículo calcula un factor efectivo de concentración del flujo magnético de 8,2.

Los autores señalan varios factores que podrían contribuir a esa concentración del flujo magnético, entre ellos la respuesta de los electrodos de aluminio, los campos magnéticos de la capa inferior y la distribución irregular del magnetismo o la corriente. El patrón general respalda el estudio del dispositivo como un sistema acoplado magnético y superconductor.

Aún se investiga por dónde circula la corriente

Los investigadores también examinaron si la corriente se distribuía uniformemente por el canal. Aplicaron un análisis matemático a una región del patrón de interferencia sin saltos abruptos del flujo y detectaron una tendencia de la corriente superconductora a concentrarse cerca de los bordes físicos.

Las imágenes microscópicas no mostraron un estrechamiento visible de la unión cerca de esos bordes. Los autores plantean que el transporte a lo largo de los bordes del canal podría contribuir a la respuesta magnética inusual y al comportamiento direccional.

El equilibrio exacto entre los mecanismos aún no está claro. El artículo analiza la influencia magnética de la capa inferior, las interacciones que vinculan el movimiento de los electrones con su espín y el posible transporte cerca de los bordes. Los dominios magnéticos, el flujo atrapado y las variaciones introducidas durante la fabricación también podrían afectar algunas partes del patrón de interferencia.

Para diseñar futuros dispositivos, es importante comprender ese equilibrio de manera concreta. Los ingenieros tendrían que saber qué propiedades de los materiales y características geométricas determinan de forma fiable la dirección preferente de la corriente, el intervalo de corriente utilizable y la respuesta al voltaje de la compuerta.

Qué implica para los futuros circuitos superconductores

Las uniones de Josephson son componentes fundamentales de los circuitos cuánticos superconductores. Reemplazar una barrera simple por un semiconductor permite ajustar eléctricamente la unión, mientras que situar cerca un semiconductor magnético añade otra forma de influir en su comportamiento.

El trabajo de los equipos de Tokio y la Universidad de Nueva York combina esas características en una sola estructura: el control mediante compuerta modifica la corriente crítica y los efectos magnéticos alteran la respuesta de la corriente y su dirección preferente. Esta combinación ofrece una plataforma de materiales para estudiar componentes de circuito con un comportamiento más ajustable.

La Universidad de Tokio señala como objetivos a más largo plazo los dispositivos electrónicos de menor consumo energético y las computadoras cuánticas más resistentes a los errores. Las mediciones demostradas se refieren a uniones individuales que funcionan a temperaturas extremadamente bajas. El enfriamiento sigue siendo un requisito práctico, junto con la ventaja de que la corriente circule sin resistencia.

Los investigadores prevén mejorar la capa magnética y estudiar con más detalle cómo afectan el voltaje y el magnetismo a la corriente superconductora. Su siguiente tarea científica es convertir los efectos observados en un control más predecible, que facilite el diseño y la fabricación de una mayor variedad de circuitos cuánticos. No se indicó ningún plazo para crear un dispositivo informático práctico.

Puntos clave

• La Universidad de Tokio y la Universidad de Nueva York desarrollaron uniones de Josephson laterales que combinan aluminio, arseniuro de indio y un semiconductor magnético con hierro.
• El canal medía unos 100 nanómetros de longitud y 5 micrómetros de ancho; los experimentos se realizaron a 0,03 kelvin.
• Una unión sin compuerta condujo hasta 3,00 microamperios sin resistencia; el voltaje negativo de la compuerta redujo la corriente crítica en los dispositivos con compuerta.
• Bajo un campo magnético perpendicular, la eficiencia máxima del diodo superconductor alcanzó el 20% cerca de un mínimo de interferencia.
• La histéresis observada repetidamente en varios dispositivos fue compatible con una influencia magnética en el transporte superconductor.
• Los hallazgos se publicaron el 5 de noviembre de 2026. Los próximos trabajos estudiarán los mecanismos y mejorarán el control para posibles futuros circuitos cuánticos.