Коллектив российских ученых провел теоретическое исследование взаимодействия ферромагнетизма и сверхпроводимости в двумерной гетероструктуре. Им удалось продемонстрировать, как в подобных системах возможно управлять сверхпроводимостью и спиновым расщеплением с помощью внешнего воздействия. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Materials.
История изучения взаимодействия между ферромагнитными и сверхпроводящими материалами насчитывает несколько десятилетий. Сверхпроводимость и ферромагнетизм традиционно воспринимаются как конкурирующие состояния. Исследования уже давно показали, что в трехмерных (содержащих как минимум десятки атомарных слоёв) системах присутствие ферромагнетиков может подавлять сверхпроводимость. Новый толчок к развитию физики эффектов близости дало открытие двумерных материалов (часто также называемых ван-дер-ваальсовыми). Эти материалы, обладающие уникальными физическими свойствами, делают возможным создание гетероструктур, обладающих уникальными физическими свойствами, которые предлагается использовать в высокотехнологичных приложениях, таких как квантовые компьютеры и передовые сенсоры.
С момента открытия графена выпускниками Физтеха Андреем Геймом и Константином Новоселовым физики начали активно изучать электрические и магнитные свойства двумерных материалов. Недавние исследования укрепили существующий интерес к ван-дер-ваальсовым гетероструктурам, показывая, как свойства проводящих электронов могут управлять физическими характеристиками этих систем.
Новая работа ученых из МФТИ с коллегами ставит перед собой амбициозную цель: выяснить, как можно управлять магнитными и сверхпроводящими эффектами в таких структурах, а также к каким открытиям эти процессы могут привести в области спинтроники.
Ученые сосредоточили свое внимание на эффекте близости в бислойных 2D гетероструктурах Ван-дер-Ваальса, используя в качестве примера сверхпроводник NbSe2 и ферромагнетик VSe2. Проблема взаимодействия между магнитными и сверхпроводящими свойствами в ван-дер-ваальсовых гетероструктурах представляет особый интерес из-за того, что границей раздела между материалами, по сути, является вся гетероструктура.
Эффекты близости представляют собой явления, возникающие из взаимного влияния электронов из разных материалов друг на друга. Даже в трехмерных гетероструктурах взаимодействие между различными слоями может сильно варьироваться в зависимости от их толщины и природы материалов. В случае двумерных гетероструктур многообразие возможных эффектов становится еще больше.
Кроме того, двумерные материалы обладают интересной особенностью: их электронные свойства могут значительно регулироваться путем приложения напряжения затвора. В контексте гетероструктур (слоистых структур из разных материалов) этот метод позволяет управлять взаимодействием между слоями. Посредством моделирования многослойных систем с использованием электронных спектров отдельных слоев, исследователи выяснили, что влияние ферромагнетиков на сверхпроводимость может быть значительно усилено за счет приложения напряжения затвора.
В ходе работы ученые провели моделирование системы с использованием гамильтониана сильной связи, что позволило проанализировать зависимости сверхпроводящего параметра порядка от обменного поля ферромагнитного слоя. Детальные расчеты электронных спектров были произведены с помощью метода теории функционала плотности.
Рисунок 1. Структура бислоя NbSe2/VSe2. Источник: Physical Review Materials.
«Мы представили результаты, показывающие, как возможно не только включать и выключать сверхпроводимость, но и управлять спиновым расщеплением в электронных спектрах. Более того, наличие одновременно спинового расщепления и сильной спин-орбитальной связи открывает перспективы для создания электрически управляемых двумерных зеемановских (спиново расщепленных) сверхпроводников, — пояснил Григорий Бобков, сотрудник лаборатории фотоэлектронной спектроскопии квантовых функциональных материалов МФТИ. — При этом, изменяя приложенное напряжение, мы получаем возможность менять амплитуду и знак спинового расщепления в сверхпроводящих спектрах, что открывает новые интересные перспективы в области спинтроники и спиновой калоритроники».
«Рассматривая конкретный пример гетероструктуры из NbSe2 и VSe2, мы изучили физику эффектов близости в 2D ван-дер-ваальсовых гетероструктурах. Мы получили, что электронные спектры и, как следствие, сверхпроводящие характеристики зависят от силы взаимодействия между слоями. Нам удалось наглядно продемонстрировать, как изменение химических потенциалов слоев приводит к изменению поведения электронных спектров, а также к изменению амплитуды и знака спинового расщепления, — рассказал Александр Бобков, старший научный сотрудник Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ. — Результаты нашей работы подчеркивают потенциал создания высокоэффективных термоэлектрических устройств и открывают перспективы в низко диссипативной спинтронике».
Полученные результаты продемонстрировали, что поведение системы может иметь многообразные характеристики в зависимости от химических потенциалов и степени гибридизации между слоями. Они предоставляют возможность не только глубже понять физику взаимодействий в многослойных гетероструктурах, но и открывает новые возможности в проектировании высокоэффективных устройств на основе 2D-материалов с целью применения в спинтронике.
Работа была поддержана проектом Российского Научного Фонда № 24-12-00152.
