[論文レビュー] Magnetic Proximity-Induced Superconducting Diode Effect and Infinite Magnetoresistance in van der Waals Heterostructure

Jonginn Yun, Suhan Son+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2021

2D Materials and Applications参考文献 6被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、NbSe₂とCrPS₄からなるファンデルワールスヘテロ構造において、磁気的近接効果誘発の超伝導ダイオード効果と無限の磁気抵抗が実証された。非中心対称超伝導体NbSe₂と反強磁性絶縁体CrPS₄との間の交換結合を活用することで、デバイスは最大40%の臨界電流非対称性を示し、磁場スキャン方向依存性および制御された磁化配置により、無限に近い磁気抵抗比を示した。

ABSTRACT

We report unidirectional charge transport in a $\mathrm{NbSe_2}$ noncentrosymmetric superconductor, which is exchange-coupled with a $\mathrm{CrPS_4}$ van der Waals layered antiferromagnetic insulator. The $\mathrm{NbSe_2/CrPS_4}$ bilayer device exhibits bias-dependent superconducting critical-current variations of up to $16\%$, with the magnetochiral anisotropy reaching $\sim 10^5\mathrm{\ T^{-1}A^{-1}}$. Furthermore, the $\mathrm{CrPS_4/NbSe_2/CrPS_4}$ spin-valve structure exhibits the superconducting diode effect with critical-current variations of up to $40\%$. We also utilize the magnetic proximity effect to induce switching in the superconducting state of the spin-valve structure. It exhibits an infinite magnetoresistance ratio depending on the field sweep direction and magnetization configuration. Our result demonstrates a novel route for enhancing the nonreciprocal response in the weak external field regime ($<50\mathrm{\ mT}$) by exploiting the magnetic proximity effect.

研究の動機と目的

• 空間反転対称性が破れたファンデルワールズヘテロ構造における非可逆的超伝導輸送を探索すること。
• 磁気的近接効果が超伝導ダイオード行動を誘発および調整する役割を調査すること。
• 制御されたスピンバルブ構成を用いて極端な磁気抵抗応答を達成すること。
• 将来のスピントロニクスおよび量子デバイス応用を想定し、超伝導状態における磁場方向依存スイッチングを実証すること。

提案手法

• 機械的剥離およびファンデルワールズ積層を用いたNbSe₂/CrPS₄二層ヘテロ構造の作製。
• CrPS₄を磁気トンネル障壁として用い、磁気的近接効果によりNbSe₂に交換結合を誘発する。
• 磁化配置を制御しダイオード行動をプローブするため、CrPS₄/NbSe₂/CrPS₄スピンバルブ構造を実装する。
• 臨界電流非対称性を測定し、バイアスおよび磁場を変化させることで超伝導ダイオード効果を定量化する。
• 磁場スキャン方向依存性を応用し、スピンバルブ構成における無限の磁気抵抗をプローブする。
• 弱い磁場下での非可逆的応答を評価するためのマグネトキラルアナイスオトロピーを指標として用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファンデルワールズヘテロ構造における磁気的近接結合は、顕著な臨界電流非対称性を示す強固な超伝導ダイオード効果を誘発できるか？
• RQ2 このような系において、低磁場下で達成可能なマグネトキラルアナイスオトロピーの大きさはどの程度か？
• RQ3 スピンバルブ構造における磁化配置は、超伝導状態および抵抗応答にどのように影響するか？
• RQ4 磁気的近接効果は、異なる輸送特性を示す異なる超伝導状態間のスイッチングを可能にするか？
• RQ5 制御された磁場スキャンプロトコルにおいて、磁気抵抗比がどの程度まで向上し、無限に近づくか？

主な発見

• NbSe₂/CrPS₄二層構造は、弱い磁場下でも強い非可逆的輸送を示す約10⁵ T⁻¹A⁻¹のマグネトキラルアナイスオトロピーを示した。
• 磁気的近接効果によるNbSe₂内のスピン分離が原因で、二層構造における臨界電流非対称性は最大16%に達した。
• CrPS₄/NbSe₂/CrPS₄スピンバルブ構成では、臨界電流の変動が40%にまで増大し、強化されたダイオード行動が確認された。
• スピンバルブ構造は、磁場スキャン方向および初期磁化状態に依存する無限の磁気抵抗比を示した。
• システムは磁場スキャン依存の超伝導状態間のスイッチングを示し、輸送特性の非揮発的制御が可能となった。
• 結果から、磁気的近接効果が50 mT未満の低磁場でも強い非可逆的応答を可能にし、低消費電力スピントロニクスデバイスのための新たな道筋を示した。