[論文レビュー] Giant anisotropic magnetoresistance in Ising superconductor-magnetic insulator tunnel junctions

Kaifei Kang, Shengwei Jiang+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2021

2D Materials and Applications参考文献 30被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、2次元イジング超伝導体（NbSe₂）と強磁性絶縁体（CrBr₃）からなるファンデルワールスヘテロ構造において、ほぼ100%に達する巨大トンネル効果磁気抵抗（AMR）を実証した。この効果は界面における磁気交換結合とスピン依存性準粒子散乱に起因し、超伝導性が面内磁場下でAMR応答を強化する重要な役割を果たす。

ABSTRACT

Superconductivity and magnetism are generally incompatible because of the opposing requirement on electron spin alignment. When combined, they produce a multitude of fascinating phenomena, including unconventional superconductivity and topological superconductivity. The emergence of two-dimensional (2D)layered superconducting and magnetic materials that can form nanoscale junctions with atomically sharp interfaces presents an ideal laboratory to explore new phenomena from coexisting superconductivity and magnetic ordering. Here we report tunneling spectroscopy under an in-plane magnetic field of superconductor-ferromagnet-superconductor (S/F/S) tunnel junctions that are made of 2D Ising superconductor NbSe2 and ferromagnetic insulator CrBr3. We observe nearly 100% tunneling anisotropic magnetoresistance (AMR), that is, difference in tunnel resistance upon changing magnetization direction from out-of-plane to inplane. The giant tunneling AMR is induced by superconductivity, particularly, a result of interfacial magnetic exchange coupling and spin-dependent quasiparticle scattering. We also observe an intriguing magnetic hysteresis effect in superconducting gap energy and quasiparticle scattering rate with a critical temperature that is 2 K below the superconducting transition temperature. Our study paves the path for exploring superconducting spintronic and unconventional superconductivity in van der Waals heterostructures.

研究の動機と目的

• 原子的に薄いファンデルワールスヘテロ構造における超伝導性と磁性の相乗作用を調査すること。
• 界面における磁気交換結合が超伝導体–強磁性絶縁体接合における電子輸送に与える影響を調査すること。
• 2次元イジング超伝導体–磁性絶縁体トンネル接合における極端な異方的磁気抵抗（AMR）の測定とその起源を理解すること。
• 超伝導性が磁性ヒステリシスおよび準粒子散乱ダイナミクスをどのように制御するかを検討すること。

提案手法

• 剥離した2次元NbSe₂（イジング超伝導体）とCrBr₃（強磁性絶縁体）を用いたファンデルワールストンネル接合の作製。
• 接合面に対して磁化方向を調整するために面内磁場を印加。
• 微分伝導度を測定し、超伝導ギャップおよび準粒子散乱率を抽出するためにトンネル分光法を実施。
• 磁化方向に応じた抵抗の異方性を解析し、AMR効果を定量的に評価。
• 超伝導転移温度近辺での超伝導ギャップエネルギーおよび準粒子散乱率における磁性ヒステリシスを測定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 面内磁場下におけるイジング超伝導体–磁性絶縁体トンネル接合の異方的磁気抵抗（AMR）の大きさは何か？
• RQ2 超伝導性は、これらのヘテロ構造における界面磁気交換結合およびスピン依存性準粒子散乱にどのように影響を与えるか？
• RQ3 界面結合が2次元ファンデルワールスヘテロ構造における巨大AMRを生成する役割を果たすメカニズムは何か？
• RQ4 超伝導転移温度近辺での超伝導ギャップおよび準粒子散乱の磁性ヒステリシスはどのように現れるか？

主な発見

• トンネル接合は、磁化が面外から面内に切り替わる際に顕著な抵抗変化を示し、ほぼ100%の異方的磁気抵抗（AMR）を示した。
• 巨大AMR効果は、超伝導性に強く関連しており、特に界面における磁気交換結合とスピン依存性準粒子散乱によって直接的に駆動されている。
• 超伝導転移温度から2 K低い臨界温度でも、超伝導ギャップエネルギーおよび準粒子散乱率の両方において、興味深い磁性ヒステリシスが観測された。
• 観測された現象は、NbSe₂におけるイジング超伝導性とCrBr₃における強いスピン軌道結合の特異な組み合わせに起因し、強固なスピン依存輸送を可能にしている。