[論文レビュー] Altermagnetic Superconducting Diode Effect in Mn$_{3}$Pt/Nb Heterostructures

Saurav Sachin, Scheurer, Mathias S.+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2026

Chemical and Physical Properties of Materials被引用数 1

ひとこと要約

Nb proximitized by non-collinear Mn3Pt (T1 and T2 phases) における零磁場超伝導ダイオード効果を実証；ダイオード効率は最大約50%に達し、総磁化なしで磁場と温度で調整可能。

ABSTRACT

Compensated magnetic orders that can split the spin-degeneracy of electronic bands have become a very active field of research. As opposed to spin-orbit coupling, the splitting resulting from these "altermagnets" is not a small relativistic correction and, in contrast to ferromagnets, not accompanied by a net magnetization and large stray fields. In particular, the theoretical analysis of the interplay of altermagnetism and superconductivity has taken center stage, while experimental investigations of their coexistence remain in their infancy. We here study heterostructures consisting of Nb thins films interfaced with the $T_1$ and $T_2$ phases of Mn$_3$Pt. These non-collinear magnetic states can be thought of as descendants from the same altermagnetic order in the absence of spin-orbit coupling. We demonstrate the non-trivial impact on the superconducting state of Nb, which exhibits a zero-field superconducting diode effect, despite the compensated ($T_2$) and nearly-compensated ($T_1$) magnetic order; the diode efficiencies can reach large values (up to 50$\%$). The diode effect is found to be highly sensitive to the form of the magnetic order, illustrating its potential as a symmetry probe. The complex magnetic field and temperature dependence hint at a rich interplay of multiple contributing mechanisms. Our results define a new materials paradigm for dissipationless spintronics and magnetization-free diode functionality, while motivating further exploration of non-collinear altermagnetic superconductors.

研究の動機と目的

• 総磁化なしのスピン分裂機構としてのアルテルマグネシズムを動機づけ、探索する。
• Mn3Pt界面における非共線性アルテルマグネティック秩序が proximitized Nb 超伝導性へ及ぼす影響を調べる。
• T1 および T2 Mn3Pt/Nb ヘテロ構造における零磁場超伝導ダイオード効果（SDE）を実証・定量する。
• SDE が磁気秩序、温度、および外部磁場に対してどのように変化するかを評価する。

提案手法

• Nb 薄膜を Mn3Pt と非共線性相 T1 および T2 でエピタキシャルに成長させ、Nb(110)/Al2O3(0001) 上にインターフェースさせる。
• Hall バー形状にパターン化し、基底温度2 Kまでの4端子 I–V 測定を零磁場および外向き垂直磁場下で実施する。
• 非対称性を定量化するために臨界電流 I_c+ および I_c− を I–V スイープから定義し、ダイオード効率 η=(I_c+−|I_c−|)/(I_c++|I_c−|) を用いて非対称性を評価する。
• XRD、AFM、STM、AHE、磁化率、抵抗率による構造・磁気・輸送特性の評価； Mn3Pt の結合による Tc の抑制をモニターする。
• SDE の温度依存性と Bz 下での進展を分析し、超伝導性、磁性、渦動力学の寄与を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Nb proximitized by Mn3Pt の Mn3Pt/T1 および Mn3Pt/T2 相で零磁場 SDE は起こるか。
• RQ2 T1（ほぼカイラル）と T2（打ち消し）アルテルマグネティック秩序間で SDE の強さはどう異なるか。
• RQ3 温度と垂直外磁場はダイオード効率と臨界電流をどのように調整するか。
• RQ4 SDE と磁気秩序の対称性、カンティング、ベルリー曲率の関係はこれらのヘテロ構造でどうなるか。

主な発見

• 零磁場 SDE は T1 および T2 の Mn3Pt/Nb の両方で観測され、T1 での効率が高く（約50% に達することもある）。
• 臨界電流 I_c+ と |I_c−| は零磁場で異なり、Tc に近づくほど非往復輸送が強くなる。
• Nb の Tc は Mn3Pt との界接により 8.3 K から 7.6 K に抑制され、アルテルマグネティック秩序が超伝導性へ顕著な影響を与えることを示す。
• SDE は垂直磁場 Bz の印加で強化され、η は Bz に対して対称的な V 字型依存を示し、Tc に向かって温度とともに増加する。
• T2 相は T1 より SDE が弱く（約1桁分程度小さい）ながら零磁場でも観測され、Bz で強化される。
• I–V および dV/dI マッピングは、アンダーダンプドな超伝導接合領域に相当するダイオード様整流とヒステリシス挙動を示す。