Исследователи МФТИ обнаружили, что общепринятая теоретическая модель, которая десятилетиями служила стандартом для описания систем, состоящих из сверхпроводников и магнетиков, работает далеко не всегда, и предложили куда более точную картину. Статья опубликована в журнале Physical Review B, а работа поддержана грантом РНФ №24-12-00152.
Когда тонкая пленка сверхпроводника соприкасается с ферромагнетиком, часть сверхпроводящих электронных пар «просачивается» в магнетик, и в нем появляется примесь сверхпроводимости (прямой эффект близости), а свойства сверхпроводника, в свою очередь, изменяются под влиянием ферромагнетика (обратный эффект близости).
Обратный эффект близости проявляется двумя ключевыми способами. Во-первых, часть сверхпроводящих пар становятся триплетными — спины их электронов соноправлены в противоположность обычным (синглетным) сверхпроводящим парам. Во-вторых, обратный эффект близости приводит к некоторой разнице энергий между электронами со спином вверх и вниз — картину, очень похожую на хорошо известное зеемановское расщепление в магнитном поле.
Именно это второе проявление стало основой широко распространенной «эффективной модели»: вся гетероструктура сверхпроводник—ферромагнетик описывается просто как однородный сверхпроводник во внешнем эффективном обменном поле.
Такая модель удобна: она позволяет теоретикам получать ясные предсказания в достаточно простой модели, а экспериментаторам — напрямую проверять наличие-отсутствие взаимодействия сверхпроводника и ферромагнетика по наличию или отсутствию обменного (зеемановского) расщепления сверхпроводящих когерентных пиков в плотности состояний сверхпроводника (например, методом туннельной спектроскопии).
Долго считалось, что отсутствие такового расщепления в плотности состояний — надежный признак того, что сверхпроводимости и магнетизма в рассматриваемой структуре нет. В том числе нет и триплетных сверхпроводящих пар, лежащих в основе эффектов сверхпроводящей спинтроники. Именно это устоявшееся убеждение и поставили под сомнение физики из МФТИ.
Авторы провели детальный анализ баллистических тонкопленочных сверхпроводящих гетероструктур сверхпроводник—ферромагнетик (S/F). В результате был обнаружен разительный контраст между поведением систем с проводящими ферромагнетиками (S/FM) и ферромагнитными изоляторами (S/FI).
В случае изоляторов обратный эффект близости действительно создает хорошо выраженное однородное спиновое расщепление электронных спектров в сверхпроводящей части гетероструктуры. Эти системы прекрасно описываются классической эффективной моделью.
Совершенно иначе ведут себя системы с проводящими ферромагнетиками. Здесь обратный эффект близости формирует спиновое расщепление спектров, которое является хаотическим по своей природе: оно сильно зависит от импульса электрона, его положения в сверхпроводнике и имеет непредсказуемую амплитуду. Интегральная плотность состояний при этом не показывает никакого видимого расщепления, потому что спиновые расщепления для отдельных электронов имеют разные амплитуды и даже знаки и происходит их усреднение и «замытие».
Это означает, что экспериментатор, глядя на плотность состояний такой структуры, увидит «нерасщепленную» картину и может сделать вывод: «Эффекта близости с ферромагнетиком нет, и триплетных пар нет. Ничего не получилось». Но это ложный вывод: несмотря на отсутствие видимого расщепления в плотности состояний, триплетные корреляции в таких структурах вполне реальны и могут быть весьма значительными, они просто скрыты от интегрального наблюдения.
Физики также демонстрируют конкретное проявление тех самых триплетных сверхпроводящих пар, которые прячутся за хаотическим спиновым расщеплением: в системе с проводящими ферромагнетиками при отсутствии расщепления пиков в плотности состояний (т. е. в системе, в которой традиционная модель «не предсказывает» ничего интересного) показан выраженный эффект спинового вентиля — зависимости критической температуры сверхпроводника от взаимной ориентации намагниченностей ферромагнетиков, находящихся с двух сторон от него.
Кроме того в работе был рассмотрен эффект близости с альтермагнетиками. Альтермагнетики — принципиально новый класс магнитных материалов, открытый совсем недавно,— демонстрируют отсутствие суммарной намагниченности (подобно антиферромагнетикам), но при этом в их электронной зонной структуре присутствует расщепление по спину (частично похоже на ферромагнетики). Показано, что с ними вся физика подобна вышеописанной.
Точно так же можно оперировать понятием наведенного эффективного поля (на этот раз альтермагнитного) в структурах с альтермагнитными изоляторами, а в структурах с проводящими альтермагнетиками также наблюдается полностью хаотическое поведение «приобретенных альтермагнитных» свойств сверхпроводящих пар.
Исправление теоретической основы описания систем с проводящими магнетиками важно не только само по себе. Оно открывает новые возможности для дизайна сверхпроводящих устройств хранения и обработки информации, в первую очередь джозефсоновских переходов и спиновых клапанов нового типа, так как позволяет рассматривать гораздо более широкий диапазон материалов, чем считалось допустимым ранее. В перспективе это может ускорить путь к созданию криогенной логики на основе сверхпроводников — одной из наиболее перспективных альтернатив кремниевой электронике для энергоэффективных вычислительных архитектур.
Ирина Бобкова, заведующая лабораторией спиновых явлений в сверхпроводниковых наноструктурах и устройствах МФТИ, прокомментировала: «Мы привыкли к тому, что если не видишь расщепление когерентных пиков в туннельных измерениях, то нет и триплетных корреляций, и вообще никакого нетривиального эффекта близости. Наша работа показывает, что для систем с металлическими магнитными слоями это правило не работает. Там может скрываться богатая физика, недоступная этому простому критерию. Это меняет наш взгляд на то, какие материалы стоит рассматривать в качестве кандидатов для спинтронных приложений».
Сверхпроводящая спинтроника обещает вычислительные устройства, работающие на скоростях в тысячи раз выше кремниевых при ничтожном энергопотреблении. Работа физиков МФТИ убирает теоретическое «слепое пятно», которое мешало увидеть потенциал целого класса перспективных материалов.
Работа поддержана Российским научным фондом (грант №24-12-00152).
Научная статья: V. A. Bobkov, G. A. Bobkov, I.V. Bobkova Inverse proximity effect in thin-film superconductor / magnet heterostructures with metallic and insulating magnets. Phys. Rev. B 113. DOI: https://doi.org/10.1103/2hdv-4b2x
