[논문 리뷰] Altermagnetic Superconducting Diode Effect in Mn$_{3}$Pt/Nb Heterostructures

Saurav Sachin, Scheurer, Mathias S.외 2명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 06.

Chemical and Physical Properties of Materials인용 수 1

한 줄 요약

비정렬 Mn3Pt(T1 및 T2 위상)에 의한 Nb 근접 초전도 다이오드 효과(SDE)를 제로 필드에서 입증; 다이오드 효율은 최대 약 50%에 도달하며 순자화 없이 자기장과 온도에 의해 조정 가능하다.

ABSTRACT

Compensated magnetic orders that can split the spin-degeneracy of electronic bands have become a very active field of research. As opposed to spin-orbit coupling, the splitting resulting from these "altermagnets" is not a small relativistic correction and, in contrast to ferromagnets, not accompanied by a net magnetization and large stray fields. In particular, the theoretical analysis of the interplay of altermagnetism and superconductivity has taken center stage, while experimental investigations of their coexistence remain in their infancy. We here study heterostructures consisting of Nb thins films interfaced with the $T_1$ and $T_2$ phases of Mn$_3$Pt. These non-collinear magnetic states can be thought of as descendants from the same altermagnetic order in the absence of spin-orbit coupling. We demonstrate the non-trivial impact on the superconducting state of Nb, which exhibits a zero-field superconducting diode effect, despite the compensated ($T_2$) and nearly-compensated ($T_1$) magnetic order; the diode efficiencies can reach large values (up to 50$\%$). The diode effect is found to be highly sensitive to the form of the magnetic order, illustrating its potential as a symmetry probe. The complex magnetic field and temperature dependence hint at a rich interplay of multiple contributing mechanisms. Our results define a new materials paradigm for dissipationless spintronics and magnetization-free diode functionality, while motivating further exploration of non-collinear altermagnetic superconductors.

연구 동기 및 목표

• 순자화 없이 스핀 스플리핑의 기제로서 알테르마그네틱을 동기 부여하고 탐구한다.
• Mn3Pt 계면의 비정렬 알테르마그네틱 순서가 Nb에 근접효과로 형성된 초전도성에 어떤 영향을 미치는지 조사한다.
• T1 및 T2 Mn3Pt/Nb 이질구조에서 제로 필드 초전도 다이오드 효과(SDE)를 시연하고 정량화한다.
• SDE가 자기 순서, 온도, 외부 자기장에 따라 어떻게 의존하는지 평가한다.

제안 방법

• Nb(110)/Al2O3(0001) 위에 에피택시로 자란 두 가지 비정렬 위상 T1, T2의 Mn3Pt와 인터페이스를 갖는 Nb 박막을 제작한다.
• 제로 및 수직 방향으로 적용된 외향 필드 하에서 2 K까지 네-프로브 I–V 측정을 수행한다.
• I–V 스윕에서 임계전류 I_c+와 I_c−를 정의하여 다이오드 효율 η=(I_c+−|I_c−|)/(I_c++|I_c−|)를 통해 비대칭성을 정량화한다.
• 구조적, 자기적, 수송 특성을 XRD, AFM, STM, AHE, 자특성(자기 감응도), 저항 측정을 통해 특징화하고 Mn3Pt 결합에 따른 Tc 억제를 모니터링한다.
• SDE의 온도 의존성과 Bz 하에서의 변화를 분석하여 초전도성, 자성, 보텍스 동역학의 기여를 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Nbproximitized Nb에서 Mn3Pt T1 및 T2 위상에 대해 제로 필드 SDE가 발생하는가?
• RQ2 T1(거의 손자연)과 T2(상쇄) 알테르마그네틱 순서 간 SDE 강도 차이는 어떻게 나타나는가?
• RQ3 온도와 수직 방향 자기에 의해 다이오드 효율과 임계전류가 어떻게 조정되는가?
• RQ4 SDE와 자기 순서 대칭성, 경사 및 Berry 곡률 사이의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 제로 필드 SDE는 T1과 T2 Mn3Pt/Nb 모두에서 관찰되며, T1에서의 효율이 더 높고 약 50%까지 도달한다.
• 제로 필드에서 I_c+와 |I_c−|가 다르게 나타나 비대칭적 수송이 Tc 근처에서 강해진다.
• Mn3Pt와의 결합으로 Nb의 Tc가 8.3 K에서 7.6 K로 억제되며, 알테르마그네틱 순서가 초전도성에 뚜렷한 영향을 준다.
• 외향 방향 필드 Bz를 적용하면 SDE가 강화되며 η는 Bz에 대해 대칭적인 V자 형태의 의존성을 보이고 온도가 Tc에 다가갈수록 증가한다.
• T2 위상은 T1에 비해 SDE가 약 한 차례 크지만(거의 한 자리 수 정도 작음) 제로 필드에서도 존재하며 Bz에 의해 증가한다.
• I–V 및 dV/dI 매핑은 지오다이오드와 유사한 직류 정류 및 히스테리시스 동작을 보여, 언더댐핑된 초전도 접합 상태와 일치한다.