Сверхпроводник + ферромагнетик: изучение триплетных куперовских пар

Как мы знаем, «стандартный» сверхпроводник обладает парами электронов с противоположным спином, которые именуются Куперовскими, в честь Леона Купера, описавшего теорию таких пар еще в далеком 1956 году.

Однако, если сверхпроводник находится в контакте с неравномерно упорядоченным ферромагнетиком, на поверхности возникает экзотический тип сверхпроводимости. В такой ситуации имеют место быть электроны, связанные между собой в одном из трех форматов спин-триплетного состояния.

Мультиплетность* — характеризация спина атома или молекул. К примеру, синглет — система из двух частиц, общий спин которых равен 0.

На данный момент вещественных доказательств таких явлений нет, хоть и наблюдается возникновение сверхпроводимости с помощью ферромагнетиков. Однако ученые не оставляют попытки доказать, хоть и теоретически, существование этого явления.

В данном исследовании представлена теоретическая модель, демонстрирующая характерные особенности в плотности квазичастиц, что является признаком наличия триплетных пар с одинаковым спином. Основным инструментом послужила сканирующая туннельная спектроскопия (СТС), с помощью которой была измерена плотность состояний для выявления спиновых характеристик триплетных пар. А вот главным испытуемым стал Al/EuS/Ag — алюминий/сульфид европия(II)/серебро.

Многие исследователи считают, что гибридные гетероструктуры сверхпроводник-ферромагнит являются одним из основных составных элементов фундамента вычислительной техники будущего. Куперовские пары с одинаковым спином могут переносить спиновую информацию без диссипации энергии*, тем самым значительно снижая ее потребление.

Диссипация энергии* — утрировано говоря, переход энергии в тепло.

Однако, на данный момент пока еще не удавалось доказать существование триплетов с одинаковым спином, точнее сказать, невозможно было отличить такие триплеты от триплетов со смешанным спином. Связано это с отсутствием отличительной сигнатуры, которая и помогла бы отличить два состояния.

Помимо этого стоит еще понять и то, что спин-зависимые фазовые переходы будут значительно слабее на стороне сверхпроводника в структуре S/F. Чтобы проверить все эти теории, исследователи решили изучить локальную плотность состояний (LDOS) в структуре S/FI/N, где S — сверхпроводник, FI — ферромагнитный изолятор с неколлинеарной намагниченностью, а N — нормальный (обычный) проводник.

Ученые отмечают, что до них еще никто не проводил подобных экспериментов. Им впервые удалось определить то, что состояния с одинаковым спином и со смешанным спином отличаются на уровне структур LDOS.

Образующаяся триплетная зона вокруг нулевой энергии приводит к формированию симметричных двухпиковых структур вокруг нулевого напряжения смещения в LDOS. Ширина триплетной зоны исключительно зависит от соотношения состояний с одинаковым спином и состояний со смешанным спином. Это же напрямую является следствием наличия ферромагнетика в непосредственной близости от сверхпроводника.

Проведя ряд вычислений LDOS, учеными была выделена теоретическая дифференциальная проводимость (dI/dV), расчет которой можно провести за счет внесения определенных экспериментальных параметров в качестве, так сказать, переменных. В число этих параметров входят температура (выше 0) и амплитуда модуляции напряжения, добавленного к смещению, что необходимо для проведения измерений.

Вычисленные результаты сравнивались с туннельной спектроскопией, то есть с измеренными результатами, dI/dV между нормальным металлом и образцом Al/EuS/Ag. Во время измерений, выполненных СТС микроскопом, температура была 290 мК (милликельвин), что значительно ниже критической температуры сверхпроводимости для слоя Al, что составляет Tc = 1.7 K.

Исследователи также отмечают свое важное наблюдение — формирование оксидного слоя между слоями Al и EuS. Это новообразование играет важную роль в формировании неколлинеарного магнитного упорядочения, что в свою очередь играет одну из главных ролей в формировании триплетных пар.

Далее ученые решили провести характеризацию трехслойного образца посредством измерений туннельного спектра. Измерения были категоризированы в 4 группы (изображение выше: b-e).

Группа B соответствует расположению иглы микроскопа, где туннельный контакт слишком шумный для спектроскопии или же сама сверхпроводимость подавляется. Такие результаты наблюдались достаточно редко и были привязаны к дефектам поверхности образца.

Группа С соответствует жесткой зоне*, что является вполне обычным явлением в спин-независимом туннелировании и часто наблюдается в эталонных образцах Al/Ag.

Жесткая и мягкая зона* (hard and soft gap) — если плотность состояний стремится к нулю в расширенном диапазоне энергий, то это называется жесткой зоной; если плотность состояний стремится к нулю только для одного значения энергии, то это уже мягкая зона.

Самыми важными для данного исследования являются группы D и Е, которые были названы триплетной зоной и спектром пиков нулевого смещения, соответственно.

Полученные данные необходимо объединить в единую понятную систему. Именно для этого и была создана модель неколлинеарной намагниченности. Основываясь на теоретических данных, ученые предположили, что возникновение характерных для триплетной зоны признаков соответствует участкам с минимум двумя направлениями намагниченности (то есть с неколлинеарныой намагниченностью). Исследователи считают, что эти две ярко выраженные зоны обусловлены строением образца, а точнее внутренним слоем EuS и поверхностным слоем Al (изображение а, b и с ниже).

Помимо этого ферромагнитный интерфейс должен обеспечивать некую степень спинового смешения между одинаково ориентированными магнитными доменами.

Учитывая, что результаты измерений по большей степени соответствуют теории БКШ, в основе которой и лежат куперовские пары, можно предположить, что ферромагнитный слой очень тонкий. Поскольку большинство участков слоя EuS являются нанокристаллическими, что стало известно посредством ПЭМ измерений, параллельное измерение большого числа доменов показало минимизированное среднее намагничивание. Но вот характеристики триплетных зон наблюдаются только в случае локально увеличенных доменов. Это сильно уменьшает число одновременно изучаемых доменов (под одним лазерным пятном). Это подтверждает высокую степень чувствительности сверхпроводимости к структурным изменениям магнитных доменов.

Для полного подтверждения достоверности предложенной выше модели ученые провели ряд СТС измерений, но уже с применением внешнего магнитного поля. Результаты этих измерений показаны на изображении выше.

Исследователи отмечают, что при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные домены в образце обладают случайным направлением намагниченности, которые не зависят друг от друга (черные стрелки на изображениях d-m выше), и магнитными моментами, обнаруженными на интерфейсе ферромагнетика (серые стрелки).

При воздействии внешнего магнитного поля, магнитные моменты в образце перестраиваются в направлении, как и у внешнего поля.

Ранее мы с вами уже узнали о том, что между слоями Al и EuS формируется слой оксида. Дело в том, что в нем были обнаружены частички EuO (оксида европия), который является ферромагнетиком с более высокой температурой Кюри, чем EuS. Соответственно, частички EuO также принимают участие в формировании структурных особенностей с неколлинеарныой намагниченностью.

Это привело исследователей к антипараллельной магнитной конфигурации: между поверхностными магнитными моментами и направлением намагниченности в объеме образца. Достичь этого на микроскопическом уровне можно именно благодаря формированию ферромагнитного оксидного слоя EuS в структуре EuS/Al.

Для более детального ознакомления с исследованием рекомендую заглянуть в доклад ученых, доступный по ссылке.

Данное исследование было нацелено на изучение возможности формирования экзотических состояний для сверхпроводников путем реализации структуры сверхпроводник+ферромагнетик. И им это удалось. Теоретические и практические данные показывают хорошие результаты. Формирование триплетных пар ранее не было доказано на практике, но теперь это явление будет подвержено дальнейшему изучению и анализу.

Практические эксперименты с использованием сканирующей туннельной спектроскопии показали реальные доказательства расчетов, основанных на теоретических изысканиях ученых.

Ученые отмечают, что использование EuS, как одного из основных компонентов, позволило достичь не только отличной спиновой поляризации, но и сформировать слой оксида между сверхпроводником и ферромагнетиком, что только способствовало формированию триплетных пар.

Данное исследование не только подтвердило формирование необычных триплетных куперовских пар, но и открыло двери для дальнейших изучений возможности контролировать процесс передачи спиновой информации, при этом минимизируя диссипацию энергии. А это может привести к созданию вычислительной техники, лишенной таких проблем как выделение большого объема тепла, высокое потребление электроэнергии и т.д. И это великолепно, учитывая огромный интерес современного человечества ко всем возможным методам экономии энергии, которая пока не безгранична, к сожалению.