1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 87, № 4, 2023

Известия РАН. Серия физическая, 2023, T. 87, № 4, стр. 518-522

Исследование особенностей сверхпроводящего спинового клапана на базе Fe/Nb

А. А. Камашев 1, *, А. А. Валидов 1, Н. Н. Гарифьянов 1, И. А. Гарифуллин 1

1 Казанский физико-технический институт имени Е.К. Завойского – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки “Федеральный исследовательский центр “Казанский научный центр Российской академии наук”
Казань, Россия

* E-mail: kamandi@mail.ru

Поступила в редакцию 28.10.2022
После доработки 15.11.2022
Принята к публикации 26.12.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Изучены новые структуры сверхпроводящих спиновых клапанов конструкций Fe2/Nb/Fe1/CoOx и Fe2/Al2O3/Nb/Al2O3/Fe1/CoOx. Работа этих структур построена за пределами классического эффекта близости сверхпроводник/ферромагнетик. Интерфейс сверхпроводник/ферромагнетик в этих структурах разделен дополнительным изолирующим слоем. Согласно результатам наших исследований, наиболее перспективными конструкциями для дальнейшего исследования являются конструкции Fe2/Al2O3/Nb/Al2O3/Fe1/CoOx.

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия сверхпроводящая спинтроника вызывает огромный интерес во всем мире. Большое количество разнообразных работ посвящено созданию, исследованию и моделированию различных устройств сверхпроводящей спинтроники (см., например, обзор [1]). Логические устройства типа сверхпроводник/ферромагнетик/сверхпроводник (С/Ф/С) могут оказаться перспективным для реализации в квантовой логике [2]. Элемент квантового кубита [3, 4] основан на использовании джозефсоновского π-контакта [5, 6].

Явления ферромагнетизма и сверхпроводимости антагонистичны друг к другу. Ферромагнетизм сильно подавляет сверхпроводимость. Это связано с тем, что ферромагнетизм предполагает параллельную (П) ориентацию спинов, а сверхпроводимость антипараллельную (АП), так как спины электронов куперовской пары в сверхпроводнике противоположно направлены. В искусственно созданных слоистых гетероструктурах взаимодействие этих явлений получило название эффекта близости сверхпроводник/ферромагнетик (С/Ф). Более детально все особенности этого эффекта описаны в работах [7–10].

В конце 1990-х гг. были предложены две теоретические модели сверхпроводящего спинового клапана (ССК), основанных на эффекте близости сверхпроводник/ферромагнетик. Первая модель Ф1/Ф2/С была предложена Санжиун О и др. [11]. Другая модель Ф1/С/Ф2 была представлена Тагировым [12]. Принцип работы обеих моделей одинаков. Эффект сверхпроводящего спинового клапана состоит в различной степени подавления сверхпроводимости в искусственно созданных тонкопленочных мультислоях Ф1/Ф2/С или Ф1/С/Ф2 для параллельной (П) и антипараллельной (АП) взаимной ориентации намагниченностей ферромагнитных слоев Ф1 и Ф2. Таким образом, эта разница приводит к более низкому значению температуры перехода в сверхпроводящее состояние в случае параллельной ориентации намагниченностей Ф-слоев $\left( {T_{с}^{{\text{П}}}} \right),$ чем при антипараллельной ориентации $\left( {T_{с}^{{{\text{АП}}}}} \right).$ Главным условием для возможности контроля за сверхпроводящим током в структурах ССК является: ΔTc > ∂Tc, где ΔTc = $T_{с}^{{{\text{АП}}}}$ – $T_{с}^{{\text{П}}}$ – эффект сверхпроводящего спинового клапана; ∂Tc – ширина сверхпроводящего перехода. Сверхпроводящий спиновый клапан перспективен в качестве пассивного элемента в сверхпроводящей спинтронике. Впервые экспериментально реализовать сверхпроводящий спиновый клапан удалось в нашей группе в 2010 г. в конструкции ССК Fe1/Cu/Fe2/In [13].

В ряде работ (см., например, [8–10, 14]) предсказана генерация дальнодействующей триплетной компоненты (ДТК) сверхпроводящего конденсата в структурах сверхпроводник/ферромагнетик. В однородном ферромагнетике эта компонента имеет нулевой спин куперовской пары Sz = 0. Поэтому, такая компонента не может быть экспериментально обнаружена при исследовании транспортных свойств системы. Однако, при наличии магнитных неоднородностей или Ф2-слоя с неколлинеарной ориентацией намагниченности к Ф1-слою полный спин куперовской пары становится Sz = ±1 [15], и ее можно зафиксировать по аномально глубокому проникновению куперовской пары в ферромагнетик. Как следует из работы Фоминова и др. [16], наличие минимума Tc вблизи ортогональной ориентации намагниченностей Ф-слоев однозначно свидетельствует о генерации ДТК. Мы неоднократно получали экспериментальное подтверждение существование ДТК для структур ССК Ф1/Ф2/C. Впервые это было нами продемонстрировано для структур спинового клапана CoOx/Fe1/Cu/Fe2/Pb в работе [17]. Наличие триплетного вклада в величину эффекта сверхпроводящего спинового клапана было также показано в работах [18–22]. В наших последних работах [23, 24], мы продемонстрировали гигантскую величину эффекта сверхпроводящего спинового клапана более 0.5 К, что является рекордом эффекта ССК в этих магнитных полях для структур модели Ф1/Ф2/C. Основной вклад в величину эффекта сверхпроводящего спинового клапана в работах [23, 24] вносили дальнодействующие триплетные компоненты сверхпроводящего конденсата.

Необходимо отметить, что на сегодняшний день классический эффект близости С/Ф в структурах ССК, практически полностью изучен. Как показывают результаты наших работ [23, 24] и результаты других групп [25] уже сейчас достигнуты предельные значения эффекта ССК с использованием различных сплавов и элементных ферромагнетиков в структурах Ф1/Ф2/C. В связи с этим необходимо начать изучение принципиально новых структур. В настоящей работе мы исследовали структуры ССК, основанные на неизученном эффекте близости сверхпроводник/ферромагнетик с изолирующими слоями, где отсутствовал прямой интерфейсный контакт между сверхпроводником и ферромагнетиком. В данной работе были исследованы структуры Fe2/Nb/Fe1/CoOx и Fe2/Al2O3/Nb/Al2O3/Fe1/CoOx. В структурах Fe2/Nb/Fe1/CoOx в качестве изолирующего слоя использовался “мертвый” слой (“мертвая” зона), которая образуется в результате взаимной диффузии атомов ниобия и железа через интерфейс. Наличие такой “мертвой” зоны на границе раздела Fe/Nb было показано в экспериментах Мюге с сотрудниками в работах [26–28]. В структурах Fe2/Al2O3/Nb/Al2O3/Fe1/CoOx в качестве изолирующего слоя использовался оксид алюминия (Al2O3). Наиболее интересные результаты были получены для структур Fe2/Al2O3/Nb/Al2O3/Fe1/CoOx.

ОБРАЗЦЫ

Изготовлены и исследованы структуры сверхпроводящего спинового клапана Fe2/Nb/Fe1/CoOx и Fe2/Al2O3/Nb/Al2O3/Fe1/CoOx. Образцы изготовлены на напылительной установке фирмы производства BESTEC с использованием классического метода электронно-лучевого испарения в сверхвысоком вакууме 1 ⋅ 10–9 мбар в Казанском физико-техническом институте. Напыление оксида кобальта и оксида алюминия проводилось в два этапа. Сначала напылялся Co или Al, затем держатель образцов перемещался в загрузочный шлюз и выдерживался в течение 2 ч в атмосфере кислорода при давлении 100 мбар. Образцы представляли собой полосы 1 × 15 мм2, нанесенные на монокристаллическую подложку MgO (001). В процессе приготовления подложка ориентировалась таким образом, чтобы легкая ось Ф-слоев совпадала с длинной стороной образца. Для приготовления слоев ССК были использованы сверхчистые мишени железа (Fe), алюминия (Al), ниобия (Nb) и кобальта (Co) с чистотой выше значения 4N (концентрация примеси менее 0.01%). Скорость напыления слоев Fe, Al и Co составляла 0.5 Å/с, а скорость напыления сверхпроводящего слоя Nb составляла 1.5 Å/с. В напылительной камере установлено 4 различных мишени, что позволяет осуществлять напыление различных материалов в одном вакуумном цикле. Скорость осаждения контролировалась при помощи водоохлаждаемого кварцевого осциллятора. Специальный самодельный держатель образцов позволял готовить 8 различных образцов за один вакуумный цикл. Как показали наши предварительные исследования, качественные структуры сверхпроводящего спинового клапана на базе Fe/Nb получаются при приготовлении структур на нагретые подложки до температур выше 600 К. Дизайн исследуемых образцов изображен на рис. 1. Параметры исследуемых образцов представлены в табл. 1.

Рис. 1.

Дизайн исследуемых образцов: Fe2/Nb/Fe1/CoOx (a) и Fe2/Al2O3/Nb/Al2O3/Fe1/CoOx (б).

Таблица 1.

Параметры исследуемых образцов, представленных на рис. 1. Серия АА 3: Fe2(dFe)/Nb(35 нм)/Fe1(2.5 нм)/ CoOx(3 нм); Серия АА 4: Fe2(dFe)/Al2O3(2 нм)/Nb(4 нм)/Al2O3(2 нм)/Fe1(3 нм)/CoOx(3 нм)

Серия образцов Номер образца dFe, нм
AA 3 1 0.7
2 0.9
3 1
4 1.2
AA 4 1 1
2 2
3 5
4 10

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Оптимальная толщина слоя ниобия Nb была определена при изучении двухслойных систем Fe/Nb и трехслойных систем Fe/Al2O3/Nb из кривых Tc(dNb) (см. рис. 2), измеренных при постоянной толщине dFe = 10 нм, что намного превышает глубину проникновения ξh куперовских пар в Ф‑слой железа. Основываясь на наших данных по зависимости Tc(dFe) при фиксированном значении dNb, мы оценили эту величину как ξh ~ 1 нм. Согласно рис. 2, в области больших толщин ниобия Tc медленно уменьшается с уменьшением dNb. Ниже dNb ~ 30 нм для образцов серии Fe/Nb и dNb ~ 10 нм для образцов серии Fe/Al2O3/Nb значение Tc начинает резко уменьшаться. При dNb < < 15 нм для образцов серии Fe/Nb и при dNb < 3 нм для образцов серии Fe/Al2O3/Nb Tc становится меньше 1.5 К. Основываясь на результатах, представленных на рис. 2, были выбраны следующие оптимальные толщины сверхпроводящих слоев dNb ~ 35 нм для образцов серии Fe/Nb и dNb ~ 4 нм для образцов серии Fe/Al2O3/Nb. Для проверки воспроизводимости параметров были повторены несколько образцов из серии 1a и 1б (см. рис. 2). Как видно из рис. 2, свойства наших образцов воспроизводимы от серии к серии.

Рис. 2.

Зависимость Tc от толщины Nb-слоя для структур Fe(10 нм)/Nb и Fe(10 нм)/Al2O3(2 нм)/Nb.

Была проведена магнитная характеризация образцов серии 1а и 1б для определения и оценки наличия “мертвого” слоя (“мертвой” зоны) в интерфейсе Fe/Nb. Магнитная характеризация проводилась на установке PPMS-9 (Quantum Design). Согласно нашим оценкам, толщина “мертвого” слоя составила ~0.5 нм. Эти результаты хорошо согласуются с результатами, полученными ранее в работах [26–28].

Значения Tc определялись по изменению сопротивления при помощи стандартного 4-х контактного метода на постоянном токе на установке, которая была создана на базе спектрометра ЭПР X-диапазона фирмы Bruker. В состав установки входит электромагнит с малым (меньше 20 Э) остаточным магнитным полем, позволяющий сканировать магнитное поле, и специально сконструированный измерительный криостат. Перед каждым измерением, проводилась специальная процедура юстировки образца относительно оси вращения для того, чтобы исключить составляющую магнитного поля, перпендикулярную к плоскости образца.

Для серий образцов AA 3 и AA 4 была изучена зависимость Tc от угла α между направлением поля охлаждения и внешним магнитным полем. В наших структурах вектор намагниченности Fe1-слоя остается зафиксированным из-за закрепления антиферромагнитным слоем CoOx (температура Нееля TN ~ 250 К). Направление вектора намагниченности Fe2-слоя является свободным. Наиболее интересные результаты удалось получить для образцов АА 3-3 и АА 4-4. Согласно результатам, представленным на рис. 3а, видно, что для образцов серии АА 3 не наблюдается никаких эффектов. Величина эффекта сверхпроводящего спинового клапана фактически равна 0. Согласно рис. 3б, для образца из серии АА 4 наблюдается немонотонная зависимость Tc(α) с характерным минимумом вблизи ортогональной ориентации намагниченностей. Согласно теории Фоминова и др. [16] такое поведение зависимости Tc(α) свидетельствует о генерации дальнодействующих триплетных компонент сверхпроводящего конденсата в наших образцах.

Рис. 3.

Зависимость Tc от угла между намагниченностями слоев Fe1 и Fe2 при вращении магнитного поля величиной H0 = 7000 Oe, лежащего в плоскости образцов: для образца АА 3-3 (а); для образца АА 4-4 (б).

Согласно нашим результатам, можно заключить, что наличие “мертвого” слоя в структурах Fe2/Nb/Fe1/CoOx не позволяет наблюдать эффектов сверхпроводящего спинового клапана. Мы фиксируем влияние ферромагнетизма на сверхпроводимость (подавление Tc), но зафиксировать взаимного влияния направления векторов намагниченностей на ΔTc пронаблюдать не удается. В структурах Fe2/Al2O3/Nb/Al2O3/Fe1/CoOx, где используется Al2O3 в качестве изолирующего слоя в интерфейсе Fe/Nb, обнаружена небольшая величина эффекта ΔTc. Остается непонятным почему величина эффекта спинового клапана в структурах Fe2/Al2O3/Nb/Al2O3/Fe1/CoOx зависит от величины внешнего магнитного поля. Подобный эффект наблюдался для структур с полуметаллическими ферромагнитными материалами [23–25]. Данный результат требует дополнительного теоретического обсуждения. Для структур Fe2/Al2O3/Nb/Al2O3/Fe1/CoOx удалось обнаружить триплетный вклад в величину эффекта сверхпроводящего спинового клапана, составляющую порядка 30 мК (см. рис. 3).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучены структуры сверхпроводящего спинового клапана конструкций Fe2/Nb/Fe1/CoOx и Fe2/Al2O3/Nb/Al2O3/Fe1/CoOx. Для структур Fe2/Al2O3/Nb/Al2O3/Fe1/CoOx удалось обнаружить триплетный вклад в величину эффекта сверхпроводящего спинового клапана, составляющую порядка 30 мК.

Полученные результаты позволяют предположить, что структуры со специально приготовленными изолирующими слоями являются более перспективными для дальнейшего исследования структур сверхпроводящего спинового клапана, построенного на неклассическом эффекте близости сверхпроводник/ферромагнетик с изолирующими слоями.

Работа Камашева А.А. и Гарифьянова Н.Н. выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 21-72-20153). Работа Гарифуллина И.А. и Валидова А.А. выполнена в рамках темы государственного задания ФИЦ КазНЦ РАН.

Список литературы

  1. Ioffe L.B., Geshkenbein V.B., Feigel’man M.V. et al. // Nature. 1999. V. 398. No. 6729. P. 679.

  2. Рязанов В.В. // УФН. 1999. Т. 169. № 8. С. 920; Ryazanov V.V. // Phys. Usp. 1999. V. 42. No. 9. P. 825.

  3. Ryazanov V.V., Oboznov V.A., Veretennikov A.V., Rusanov A.Yu. // Phys. Rev. B. 2001. V. 65. Art. No. 020501.

  4. Veretennikov A.V., Ryazanov V.V., Oboznov V.A. et al. // Physica B. 2000. V. 284–288. P. 495.

  5. Ryazanov V.V., Oboznov V.A., Rusanov A.Yu. et al. // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 86. P. 2427.

  6. Kontos T., Aprili M., Lesueur J., Grison X. // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 89. Art. No. 137007.

  7. Изюмов Ю.А., Прошин Ю.Н., Хусаинов М.Г. // УФН. 2002. Т. 172. № 2. С. 113; Izyumov Yu.A., Proshin Yu.N., Khusainov M.G. // Phys. Usp. 2002. V. 45. No. 2. P. 109.

  8. Buzdin A.I. // Rev. Mod. Phys. 2005. V. 77. P. 935.

  9. Bergeret F.S., Volkov A.F., Efetov K.B. // Rev. Mod. Phys. 2005. V. 77. P. 1321.

  10. Efetov K.B., Garifullin I.A., Volkov A.F., Westerholt K. // In: Magnetic heterostructures. Advances and perspectives in spinstructures and spintransport. Series Springer Tracts in Modern Physics. V. 227. Berlin: Springer, 2007. P. 252.

  11. Oh S., Youm D., Beasley M.R. // Appl. Phys. Lett. 1997. V. 71. No. 16. P. 2376.

  12. Tagirov L.R. // Physica C. 1998. V. 307. P. 145.

  13. Leksin P.V., Garif’yanov N.N., Garifullin I.A. et al. // Appl. Phys. Lett. 2010. V. 97. No. 10. Art. No. 102505.

  14. Efetov K.B., Garifullin I.A., Volkov A.F., Westerholt K. // Magnetic nanostructures: spin dynamics and spin transport. Springer Tracts in Modern Physics. V. 246. Springer, 2013. P. 85.

  15. Bergeret F.S., Volkov A.F., Efetov K.B. // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 86. P. 4096.

  16. Fominov Ya.V., Golubov A.A., Karminskaya T.Yu. et al. // Письма в ЖЭТФ. 2010. Т. 91. № 6. С. 329; Fominov Ya.V., Golubov A.A., Karminskaya T.Yu. et al. // JETP Lett. 2010. V. 91. No. 6. P. 308.

  17. Leksin P.V., Garif’yanov N.N., Garifullin I.A. et al. // Phys. Rev. Lett. 2012. V. 109. Art. No. 057005.

  18. Zdravkov V.I., Kehrle J., Obermeier G. et al. // Phys. Rev. B. 2013. V. 87. Art. No. 144507.

  19. Jara A.A., Safranski C., Krivorotov I.N. et al. // Phys. Rev. B. 2014. V. 89. Art. No. 184502.

  20. Wang X.L., Di Bernardo A., Banerjee N. et al. // Phys. Rev. B. 2014. V. 89. Art. No. 140508(R).

  21. Flokstra M.G., Cunningham T.C., Kim J. et al. // Phys. Rev. B. 2015. V. 91. Art. No. 060501.

  22. Banerjee N., Smiet C.B., Smits R.G.J. et al. // Nature Commun. 2014. V. 5. Art. No. 3048.

  23. Kamashev A.A., Garif’yanov N.N., Validov A.A. et al. // Beilstein J. Nanotechnol. 2019. V. 10. P. 1458.

  24. Kamashev A.A., Garif’yanov N.N., Validov A.A. et al. // Phys. Rev. B. 2019. V. 100. Art. No. 134511.

  25. Singh A., Voltan S., Lahabi K., Aarts J. // Phys. Rev. X. 2015. V. 5. Art. No. 021019.

  26. Mühge Th., Garif’yanov N.N., Goryunov Yu.V. et al. // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. P. 1857.

  27. Mühge Th., Westerholt K., Zabel H. et al. // Phys. Rev. B. 1997. V. 55. Art. No. 8945.

  28. Mühge Th., Theis-Bröhl K., Westerholt K. et al. // Phys. Rev. B. 1998. V. 57. Art. No. 5071.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал