[論文レビュー] Circuit QED detection of induced two-fold anisotropic pairing in a hybrid superconductor-ferromagnet bilayer

C. G. L. Bøttcher, Nicholas R. Poniatowski+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2023

Quantum and electron transport phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、マイクロスケールの超伝導体-強磁性体（S/F）バイレイヤーにおける超流動密度をプローブするため、回路QEDに基づくマイクロ波共振器技術を開発した。これにより、二重対称性を示すペアリングと、節を持つp波ペアリングを示唆するべき乗則的温度スケーリングが明らかになった。この手法は、高い感度で近接効果による三重スピン超伝導を検出可能であり、同時に強磁性体共鳴周波数における予期しないスピンダイナミクスの結合も明らかにした。

ABSTRACT

Hybrid systems represent one of the frontiers in the study of unconventional superconductivity and are a promising platform to realize topological superconducting states. Owing to their mesoscopic dimensions, these materials are challenging to probe using many conventional measurement techniques, and require new experimental probes to successfully characterize. In this work, we develop a probe that enables us to measure the superfluid density of micron-size superconductors using microwave techniques drawn from circuit quantum electrodynamics (cQED). We apply this technique to a paradigmatic hybrid system, the superconductor/ferromagnet bilayer, and find that the proximity-induced superfluid density is two-fold anisotropic within the plane of the sample and exhibits power law temperature-scaling which is indicative of a nodal superconducting state. These experimental results are consistent with the theoretically predicted signatures of induced triplet pairing with a nodal $p$-wave order parameter. Moreover, we unexpectedly observe drastic modifications to the microwave response at frequencies near the ferromagnetic resonance, suggesting a coupling between the spin dynamics and induced superconducting order in the ferromagnetic layer. Our results offer new insights into the unconventional superconducting states induced in superconductor/ferromagnet heterostructures and simultaneously establish a new avenue for the study of fragile unconventional superconductivity in low-dimensional materials such as van der Waals heterostructures.

研究の動機と目的

• 従来のバルク技術では失敗する、ハイブリッドヘテロ構造におけるミクロスコピック超伝導状態の高感度マイクロ波プローブの開発。
• オンチップ超伝導マイクロ波共振器を用いて、マイクロスケールS/Fバイレイヤーにおける超流動密度を直接測定すること。
• 強磁性層における誘導された超伝導性のペアリング対称性を特徴づけること、特に非単純な節を持つ状態のテスト。
• マイクロ波応答を通じて、強磁性体内のスピンダイナミクスと誘導された超伝導秩序との相乗作用を調査すること。
• van der Waalsヘテロ構造のような低次元系における壊れやすい非単純超伝導性を研究するための新規実験プラットフォームの確立。

提案手法

• マイクロスケールS/Fバイレイヤーを超伝導マイクロ波共振器に統合し、強力な結合と局所的電磁場プロービングを実現。
• London浸透深さ関係を介して、温度依存の共鳴周波数シフトを、超流動密度の直接的測定手段として用いる。
• ボルテックスのアーティファクトを排除し、再現性がありヒステリシスのない測定を実現するための磁場整列プロトコルの採用。
• ペアリング対称性を示す臨界指数を抽出するため、温度依存の周波数シフトにべき乗則フィッティングを適用。
• 面内および面外磁場を変化させた際の共振器応答を比較し、超伝導秩序と常態応答の効果を分離。
• 全周波数シフトで正規化することで、温度スケーリングと全体の振幅を分離し、磁場配置間での強固な比較を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回路QED技術は、従来のプローブが失敗するミクロスコピックS/Fバイレイヤーにおける超流動密度を検出・定量可能か？
• RQ2 S/Fバイレイヤーの平面内における誘導された超流動密度の角度依存性は何か？ これは異方性ペアリングを示唆するか？
• RQ3 超流動密度の温度依存性はべき乗則に従うか？ これはペアリング対称性に何を示唆するか？
• RQ4 強磁性体内のスピンダイナミクスと誘導された超伝導秩序との間には結合の証拠があるか？ 特に強磁性共鳴周波数近傍で。
• RQ5 外部磁場を印加した場合、S/F共振器のマイクロ波応答は、純チタン酸ナニウム（Nb）のバーアレスオシレータとはどのように異なるか？

主な発見

• S/Fバイレイヤーにおける超流動密度は、試料の平面内で二重対称性を示し、誘導された超伝導状態における回転対称性の破れを示している。
• 超流動密度の温度依存性はべき乗則に従い、指数n ≈ 4である。これは節を持つ超伝導ギャップと一致し、p波ペアリング対称性を支持する。
• 観察されたべき乗則的スケーリングは、印加磁場に対して強く頑健であり、面外磁場の向きに依存しない。これは外的要因ではなく、内在的なペアリング物理を示唆する。
• 強磁性共鳴周波数近傍で顕著なマイクロ波応答のずれが観察され、スピンダイナミクスと誘導された超伝導秩序との強い結合が示唆された。
• 純Nb共振器のマイクロ波応答は、等方的かつ活性化（べき乗則）的であり、温度依存性を示すが、異方性や磁場依存スケーリングは示さない。これにより、S/F系における異方性はハイブリッド状態に起因することが確認された。
• 磁場整列プロトコルにより、ボルテックス由来のアーティファクトが効果的に排除され、高精度で再現性があり、系統的な温度依存の共鳴周波数トレースが得られた。