[논문 리뷰] Colossal proximity effect in a superconducting triplet spin valve based on halfmetallic ferromagnetic CrO2

Ajay Singh, S. Voltan외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 18.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 23인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 초전도성 삼중스핀 발진기(TSV)에서 반완전도체 CrO2를 자성 배수층으로 사용하여 막대한 근접 효과를 입증한다. 외부 자석장을 평면 내에서 평면 외로 변화시키는 것으로, 임계온도(Tc)가 최대 800 mK 감소하는 놀라운 억제 효과를 달성하였으며, 이는 CrO2의 100% 스핀 투과도와 높은 스핀 확산 길이 덕분에 장거리 스핀 편향 삼중 쿠퍼 쌍이 효율적으로 생성된 데 기인한다.

ABSTRACT

Ferromagnets can sustain supercurrents through the formation of equal spin triplet Cooper pairs and the mechanism of odd-frequency pairing. Since such pairs are not broken by the exchange energy of the ferromagnet, superconducting triplet correlations are long-ranged and spin-polarized, with promises for superconducting spintronics devices. The main challenge is to understand how triplets are generated at the superconductor (S)/ ferromagnet (F) interface. Here we use the concept of a so-called triplet spin valve (TSV) to investigate the conversion of singlets in a conventional superconductor to triplets in the halfmetallic ferromagnet CrO_2. TSV's are composed of two ferromagnetic layers (separated by a thin normal metal (N) layer) and a superconductor (F_1/N/F_2/S). The package F_1/N/F_2 generates triplets in F_1 when the magnetization directions of the F_{1,2}-layers are not collinear. This drains singlet pairs from the S-layer, and triplet generation is therefore signalled by a decrease of the critical temperature $T_c$. Recently, experiments with TSV's were reported with Co draining layers, using in-plane fields, and finding T_c-shifts up to 100~mK. Using CrO_2 instead of Co and rotating a magnetic field from in-plane to out-of-plane, we find strong T_c variations of almost a Kelvin up to fields of the order of a Tesla. Such strong drainage is consistent with the large lengths over which supercurrents can flow in CrO_2, which are significantly larger than in conventional ferromagnets. Our results point to the special interest of halfmetals for superconducting spintronics.

연구 동기 및 목표

• 삼중스핀 발진기(TSV) 기하구조를 이용해 초전도체/반완전도 자성체 인터페이스에서 삼중 쿠퍼 쌍 생성 효율을 조사하기 위해.
• 자기장 방향(평면 내 대비 평면 외)이 CrO2 기반 TSV에서 근접 효과 및 삼중 쌍 생성에 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 인터페이스 투과도와 스핀 축적의 역할을 정량화하여 반완전도 기반 TSV에서 삼중 쌍 생성 효율을 분석하기 위해.
• 높은 스핀 투과도와 긴 삼중 쌍 공명 길이 덕분에 CrO2를 초전도성 스핀트로닉스 장치에 가장 우수한 재료로 정립하기 위해.

제안 방법

• 화학기상증착를 통해 TiO2 기반에 고품질 에피택시얼 CrO2 박막을 성장시킨 후, MoGe/Ni/Cu 삼중막 브릿지 패tern을 가공한 TSV 구조를 제작하였다.
• 샘플 홀더를 회전시켜 자석장을 필름 평면에 대해 평면 내에서 평면 외로 변화시키는 각도 의존 자화도 측정을 실시하였다.
• 임계온도(Tc)를 자석장에 따라 측정하여, Tc 억제를 통해 삼중 쌍 생성을 탐지하였다.
• F2층이 있는 및 없는 TSV 장치의 Tc 변화를 비교하여 스핀 발진 효과를 분리하고 삼중 쌍 생성 효율을 정량화하였다.
• 정상 상태 저항(RN) 및 그 역수를 분석하여 인터페이스 투과도와 Tc 억제 정도 간의 상관관계를 규명하였다.
• 스핀 축적과 인터페이스 투과도 개념을 사용해 시스템을 모델링하였으며, 반완전도체의 경우 표준 초과 저항 공식이 P=1에서 발산한다는 점을 주목하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기장 방향(평면 내 대비 평면 외)이 CrO2 기반 삼중스핀 발진기에서 임계온도(Tc)를 얼마나 효과적으로 조절할 수 있는가?
• RQ2 Co나 Ni와 같은 전통적인 자성체에 비해 CrO2와 같은 반완전도 자성체를 사용할 경우 삼중 쌍 생성이 어떻게 향상되는가?
• RQ3 인터페이스 투과도와 스핀 축적이 반완전도 기반 TSV에서 삼중 쌍 생성 효율을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 왜 평면 내 자기장 의존 전이 곡선에서 저항 피크가 나타나며, 이는 동일 스핀 쿠퍼 쌍 파괴와 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ5 Tc 억제 현상이 near-100% 스핀 투과도를 가진 재료에서 삼중 쌍 생성을 정량적으로 측정하는 데 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 자기장 2 T에서 Tc의 최대 800 mK 감소가 관측되어 막대한 근접 효과를 나타낸다.
• Tc 억제는 약 1 T까지 지속되어 넓은 자기장 범위에서 안정적인 삼중 쌍 생성을 보여준다.
• Tc 억제는 자기장 방향에 매우 민감하며, 평면 내에서 평면 외로 방향을 바꿀 때 가장 큰 영향을 받는다.
• 평면 내 자기장 의존 전이 곡선에서 관측된 저항 피크는 인터페이스에서 동일 스핀 쿠퍼 쌍 파괴로 인한 스핀 축적이 원인으로 기인된다.
• 역정상 상태 저항(1/RN)은 최대 Tc 억제 정도와 명확한 상관관계를 보이며, 이는 인터페이스 투과도가 삼중 쌍 생성 효율에 중대한 영향을 미친다는 것을 시사한다.
• 결과적으로 CrO2가 100% 스핀 투과도를 가진 반완전도체로서 장거리 삼중 초전도 전류를 지지함을 확인하였으며, 이는 초전도성 스핀트로닉스 응용에 이상적인 소재임을 입증한다.