[논문 리뷰] Circuit QED detection of induced two-fold anisotropic pairing in a hybrid superconductor-ferromagnet bilayer

C. G. L. Bøttcher, Nicholas R. Poniatowski외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 13.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 마이크로미터 크기의 초전도체-자성체(초전도체/자성체, S/F) 이중막에서 초전도 밀도를 탐지하기 위해 회로 양자 전기역학(circuit QED) 기반 마이크로파 공진기 기술을 개발한다. 이는 이중성 대칭성의 쌍성과 노드가 있는 p-파 초전도성의 특징적인 거듭제곱 온도 스케일링을 드러낸다. 이 방법은 높은 민감도로 유도된 삼중 초전도성을 탐지할 뿐 아니라, 자성 공진 주파수에서 예상치 못한 스핀 동역학 결합도 밝혀낸다.

ABSTRACT

Hybrid systems represent one of the frontiers in the study of unconventional superconductivity and are a promising platform to realize topological superconducting states. Owing to their mesoscopic dimensions, these materials are challenging to probe using many conventional measurement techniques, and require new experimental probes to successfully characterize. In this work, we develop a probe that enables us to measure the superfluid density of micron-size superconductors using microwave techniques drawn from circuit quantum electrodynamics (cQED). We apply this technique to a paradigmatic hybrid system, the superconductor/ferromagnet bilayer, and find that the proximity-induced superfluid density is two-fold anisotropic within the plane of the sample and exhibits power law temperature-scaling which is indicative of a nodal superconducting state. These experimental results are consistent with the theoretically predicted signatures of induced triplet pairing with a nodal $p$-wave order parameter. Moreover, we unexpectedly observe drastic modifications to the microwave response at frequencies near the ferromagnetic resonance, suggesting a coupling between the spin dynamics and induced superconducting order in the ferromagnetic layer. Our results offer new insights into the unconventional superconducting states induced in superconductor/ferromagnet heterostructures and simultaneously establish a new avenue for the study of fragile unconventional superconductivity in low-dimensional materials such as van der Waals heterostructures.

연구 동기 및 목표

• 기존의 거시적 기술이 실패하는 하이브리드 이종구조에서 메조스코픽 초전도 상태를 고감도로 탐지할 수 있는 마이크로파 프로브를 개발하기 위해.
• 칩 내 초전도 마이크로파 공진기를 사용하여 마이크로미터 크기의 S/F 이중막에서 초전도 밀도를 직접 측정하기 위해.
• 특히 비정상적인 노드 상태를 검증하기 위해 자성체층에서 유도된 초전도성의 쌍성 대칭을 특성화하기 위해.
• 마이크로파 반응을 통해 자성체의 스핀 동역학과 유도된 초전도 상태 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 바르드 반데르발스 이종구조와 같은 저차원 시스템에서의 취약한 비정상 초전도성 연구를 위한 새로운 실험 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 마이크로미터 크기의 S/F 이중막을 초전도 마이크로파 공진기에 통합하여 강한 결합과 국소적 전자기 탐측을 가능하게 하였다.
• 런던 침투 깊이 관계를 통해 초전도 밀도의 직접 측정으로서 온도 의존성 공진 주파수 이동을 사용하였다.
• 바이러스 기인 오차를 제거하고 재현 가능하고 히스테리시스 없는 측정을 확보하기 위해 필드 정렬 프로토콜을 도입하였다.
• 쌍성 대칭을 나타내는 임계 지수를 추출하기 위해 온도 의존성 주파수 이동에 거듭제곱 법적 피팅을 적용하였다.
• 초전도 상태의 영향과 정상 상태 반응을 분리하기 위해, 평면 내 및 평면 외 방향의 자기장 변화에 따른 공진기 반응을 비교하였다.
• 전체 주파수 이동으로 데이터를 정규화하여 온도 스케일링과 전체 크기 간의 분리가 가능하게 하여, 다양한 자기장 조건 간의 신뢰성 있는 비교를 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 프로브가 실패하는 메조스코픽 S/F 이중막에서 회로 QED 기술이 초전도 밀도를 탐지하고 정량화할 수 있는가?
• RQ2 S/F 이중막 평면 내에서 유도된 초전도 밀도의 각도 의존성은 어떻게 되며, 이는 이방성 쌍성의 존재를 드러내는가?
• RQ3 초전도 밀도의 온도 의존성이 거듭제곱 법칙을 따르는가? 이는 쌍성 대칭에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 특히 자성 공진 주파수 근처에서, 자성체의 스핀 동역학과 유도된 초전도 상태 간의 결합 증거가 있는가?
• RQ5 외부 자기장이 작용할 때, S/F 공진기의 마이크로파 반응은 순수 니오븀(Nb) 공진기와 어떻게 다를까?

주요 결과

• S/F 이중막의 초전도 밀도는 표면 평면에서 이중성 대칭성을 보이며, 유도된 초전도 상태에서 회전 대칭성이 깨졌음을 나타낸다.
• 초전도 밀도의 온도 의존성은 지수 n ≈ 4인 거듭제곱 법칙 스케일링을 따르며, 이는 노드가 있는 초전도 갭과 일치하고 p-파 쌍성 대칭을 지지한다.
• 관측된 거듭제곱 법칙 스케일링은 외부 자기장에 대해 강건하며, 평면 외 자기장 방향과 무관하여 외부 요인보다는 본질적인 쌍성 물리에 기인함을 시사한다.
• 자성 공진 주파수 근처에서 마이크로파 반응에 심각한 이질이 관측되어, 스핀 동역학과 유도된 초전도 상태 간의 강한 결합이 존재함을 시사한다.
• 순수 니오븀(Nb) 공진기의 마이크로파 반응은 등방성이며 온도에 따라 거듭제곱 법칙을 따르지만, 이중성 또는 자기장 의존성 스케일링이 없으며, 이는 S/F 시스템의 이중성은 하이브리드 상태에 기인함을 확인한다.
• 필드 정렬 절차는 바이러스 기인 오차를 성공적으로 제거하여, 고도로 재현 가능하고 체계적인 온도 의존성 공진 주파수 트레이스를 얻었다.