[論文レビュー] Evidence for anisotropic spin-triplet Andreev reflection at the 2D van der Waals ferromagnet/superconductor interface

Ranran Cai, Yunyan Yao+12 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 45被引用数 39

ひとこと要約

本研究は、ラシバススピン軌道結合によって駆動される2次元ファンデルワールスフェリオマグネティック/スーパーコンダクター（Fe₀.₂₉TaS₂/NbN）界面における異方的スピン三重項アンドレエフ反射の実験的証明を提供する。磁場方向に強く依存する大きな磁気抵抗が観測され、磁化が面外方向にある際にピークに達する。これは界面でのスピン三重項超伝導および非同一磁化のスピン混合を確認するものであり、トポロジカル量子計算やスピントロニクス素子のためのプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

Fundamental symmetry breaking and relativistic spin-orbit coupling give rise to fascinating phenomena in quantum materials. Of particular interest are the interfaces between ferromagnets and common s-wave superconductors, where the emergent spin-orbit fields support elusive spin-triplet superconductivity, crucial for superconducting spintronics and topologically-protected Majorana bound states. Here, we report the observation of large magnetoresistances at the interface between a quasi-two-dimensional van der Waals ferromagnet Fe0.29TaS2 and a conventional s-wave superconductor NbN, which provides the possible experimental evidence for the spin triplet Andreev reflection and induced spin-triplet superconductivity at ferromagnet/superconductor interface arising from Rashba spin-orbit coupling. The temperature, voltage, and interfacial barrier dependences of the magnetoresistance further support the induced spin-triplet superconductivity and spin-triplet Andreev reflection. This discovery, together with the impressive advances in two-dimensional van der Waals ferromagnets, opens an important opportunity to design and probe superconducting interfaces with exotic properties.

研究の動機と目的

• 2次元ファンデルワールスフェリオマグネティック/スーパーコンダクター界面におけるスピン三重項アンドレエフ反射の存在を実証すること。
• 界面におけるラシバススピン軌道結合が異方的スピン三重項対合作用および非同一磁化スピン混合を可能にすることを確立すること。
• タイプII超伝導体NbNにおける観測された磁気抵抗の原因がヴォルテックスに起因するものでないことを排除すること。
• 格子整合性の制約のないプラットフォームにおける誘導スピン三重項超伝導の実験的証明を提供すること。
• 2次元量子材料においてトポロジカルマヨラナ局在状態および散乱なしのスピン電流を実現可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 剥離法で得たFe₀.₂₉TaS₂（2次元vdWフェリオマグネティック）とNbN（s波超伝導体）を用いて三端子ヘテロ構造を形成し、Ptの正孔金属接触を設ける。
• T = 2 Kで、磁場の角度（Θyz）を変化させながら、三端子ジオメトリを用いて界面抵抗を測定する。
• 異常ホール効果を用いて、Fe₀.₂₉TaS₂のCurie温度（約90 K）および磁化の簡単軸（面に対して垂直）を特徴付ける。
• ヴォルテックス寄与を分離するためにAl/NbNヘテロ構造を用いた制御実験を実施し、RJSマッチドデバイスを比較対象とした。
• dI/dV曲線のバイアスおよび温度依存性を分析して、界面透過率およびアンドレエフ反射の強度を評価する。
• スピン軌道結合（ラシバス＋ドレゼルハウス）を考慮した理論的モデリングにより、スピン三重項アンドレエフ反射の角度依存性を導出し、スピン量子化軸が面内波動ベクトルと垂直に整列する際に抑制されることを予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラシバススピン軌道結合を有する2次元ファンデルワールスFM/SC界面で、異方的スピン三重項アンドレエフ反射を実験的に観測できるか？
• RQ2 観測された磁気抵抗は、フェリオマグネティックの磁化と界面スピン軌道場の相対的配置に依存するか？
• RQ3 タイプII超伝導体NbNにおけるヴォルテックスは、測定された磁気抵抗にどの程度寄与しているか？
• RQ4 界面透過率（障壁強度）は、スピン三重項アンドレエフ反射の可視性にどのように影響するか？
• RQ5 磁気抵抗の角度依存性は、スピン軌道結合によって誘起されたスピン三重項対合作用によって説明可能か？

主な発見

• T = 2 Kで、磁場をyz平面内で回転させた際、最大で約20％の大きな磁気抵抗が観測され、Θyz = 0°（磁化が面外方向）でピークに達する。
• 磁気抵抗比 MR(Θyz) = [R(Θyz) − R(0°)] / R(0°) × 100% は、Θyz = 90°で最大で約20％に達し、強い異方性を示す。
• T = 20 Kでの常態抵抗は磁場の角度にほとんど変化がなく、幾何的または応力効果を除外する。
• Al/NbNヘテロ構造を用いた制御実験では、ノイズレベル内でのみ約3％のMRが観測され、ヴォルテックスに起因する効果が支配的でないことが示された。
• T = 2 Kでのゼロバイアス電導度は、常態値（GN）の約80％であり、やや弱い界面障壁強度を示し、顕著なアンドレエフ反射寄与が想定される。
• 理論的モデリングにより、電子の面内波動ベクトルがスピン量子化軸に垂直に整列する際にスピン三重項アンドレエフ反射が消滅することが確認され、観測された角度依存性を説明できる。