[論文レビュー] Colossal proximity effect in a superconducting triplet spin valve based on halfmetallic ferromagnetic CrO2

Ajay Singh, S. Voltan+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2014

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、半金属的CrO2をフェリ磁性ドレイン層として用いた超伝導トリプレットスピンバルブ（TSV）において、顕著な近接効果を示した。外部磁場を面内から面外に回転させることで、CrO2の100%スピン偏極および高いスピン拡산長に起因する長距離スピン偏極トリプレットコープアー対の効率的生成により、臨界温度（Tc）が最大800 mKまで著しく低下した。

ABSTRACT

Ferromagnets can sustain supercurrents through the formation of equal spin triplet Cooper pairs and the mechanism of odd-frequency pairing. Since such pairs are not broken by the exchange energy of the ferromagnet, superconducting triplet correlations are long-ranged and spin-polarized, with promises for superconducting spintronics devices. The main challenge is to understand how triplets are generated at the superconductor (S)/ ferromagnet (F) interface. Here we use the concept of a so-called triplet spin valve (TSV) to investigate the conversion of singlets in a conventional superconductor to triplets in the halfmetallic ferromagnet CrO_2. TSV's are composed of two ferromagnetic layers (separated by a thin normal metal (N) layer) and a superconductor (F_1/N/F_2/S). The package F_1/N/F_2 generates triplets in F_1 when the magnetization directions of the F_{1,2}-layers are not collinear. This drains singlet pairs from the S-layer, and triplet generation is therefore signalled by a decrease of the critical temperature $T_c$. Recently, experiments with TSV's were reported with Co draining layers, using in-plane fields, and finding T_c-shifts up to 100~mK. Using CrO_2 instead of Co and rotating a magnetic field from in-plane to out-of-plane, we find strong T_c variations of almost a Kelvin up to fields of the order of a Tesla. Such strong drainage is consistent with the large lengths over which supercurrents can flow in CrO_2, which are significantly larger than in conventional ferromagnets. Our results point to the special interest of halfmetals for superconducting spintronics.

研究の動機と目的

• 超伝導体／半金属的フェリ磁性体界面におけるトリプレットコープアー対生成効率を、トリプレットスピンバルブ（TSV）構造を用いて調査すること。
• 磁場の向き（面内対面外）が、半金属的CrO2を有するTSVにおける近接効果およびトリプレット対生成に与える影響を調査すること。
• 界面透過率およびスピン蓄積の役割を定量化し、半金属ベースのTSVにおけるトリプレット対生成効率の向上に寄与する要因を特定すること。
• 高いスピン偏極および長いトリプレット相関長を有するため、CrO2が超伝導スピントロニクス素子に優れた材料であることを確立すること。

提案手法

• 化学気相成長を用いてTiO2基板上に成長した高品質なエピタキシャルCrO2薄膜上に、MoGe/Ni/Cu三層構造のブリッジパターンをフォーマットしたTSV構造を作製した。
• 試料を回転可能なホルダーに設置し、磁場を膜面に対して面内から面外へ変化させられる角度依存磁気輸送測定を実施した。
• 臨界温度（Tc）を磁場の関数として測定し、Tcの低下によってトリプレット対生成を検出する。
• F2層を有する・ないTSVデバイスのTc変化を比較することで、スピンバルブ効果を分離し、トリプレット生成効率を定量化した。
• 正規状態抵抗（RN）およびその逆数を分析し、界面透過率とTc低下の大きさの相関を検証した。
• スピン蓄積および界面透過率の概念を用いて系をモデル化した。半金属では標準的な過剰抵抗の式がP=1で発散することに注意した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場の向き（面内対面外）が、CrO2ベースのトリプレットスピンバルブにおける臨界温度（Tc）にどの程度影響を及えるか？
• RQ2 Co や Ni といった従来のフェリ磁性体と比較して、半金属的フェリ磁性体（例：CrO2）を用いることで、トリプレット対生成がどのように向上するか？
• RQ3 界面透過率およびスピン蓄積が、半金属ベースTSVにおけるトリプレット対生成効率を決定づける役割を果たすか？
• RQ4 面内磁場依存の遷移曲線に抵抗ピークが観測される理由は何か？これは等スピンコープアー対の破壊とどのように関係しているか？
• RQ5 近接100%スピン偏極を示す材料において、TSVにおけるTc低下がトリプレット対生成の定量的プローブとして利用可能か？

主な発見

• 2 Tの磁場で、TSVにおける臨界温度（Tc）の最大低下が800 mKに達し、巨大会近接効果を示した。
• Tc低下は約1 Tまでの磁場範囲で持続しており、広い磁場範囲で安定したトリプレット対生成が確認された。
• Tc低下は磁場の向きに強く依存しており、面内から面外に磁場を回転させた際に最大の効果が観測された。
• 面内磁場依存の遷移曲線に観測された抵抗ピークは、界面での等スピンコープアー対の破壊に起因するスピン蓄積に起因するとされる。
• 逆正規状態抵抗（1/RN）は、最大Tc低下と明確な相関を示しており、界面透過率がトリプレット生成効率に顕著に影響していることを示した。
• 本結果は、100%スピン偏極を示す半金属CrO2が、長距離トリプレットスーパーコンダクタンスを支持できることを確認し、超伝導スピントロニクス応用に最適であることを示した。