[논문 리뷰] Enhancement of supercurrent through ferromagnetic materials by interface engineering

Swapna Sindhu Mishra, Robert M. Klaes외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 14.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 50인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 노이즈/니켈철/노이즈 삼중막 인터페이스를 설계하여 페로자성 조지프슨 접합에서 슈퍼전류 전송을 향상시켰으며, 순수한 니켈철 접합 대비 임계 전류 밀도를 4배로 증가시켰다. 이 전략은 구리/니켈 인터페이스에서 개선된 스핀 의존성 운반을 활용하여 부드러운 니켈철 층에서 거의 이상적인 자기 스위칭 행동을 유지하면서도 냉각 메모리 및 논리 응용 분야에서 슈퍼전류 성능을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Josephson junctions containing ferromagnetic materials exhibit interesting physics and show promise as circuit elements for superconducting logic and memory. For memory applications, the properties of the junction should be controllable by changing the magnetic configuration inside the junction. To achieve good magnetic switching properties, one should choose a soft magnetic material such as NiFe (permalloy); however, NiFe exhibits poor supercurrent transmission in Josephson junctions. In this work we put thin layers of Ni on either side of the NiFe and characterize the magnetic behavior and supercurrent transmission properties of the Ni/NiFe/Ni trilayers as a function of Ni and NiFe thicknesses. Using a Ni thickness of 0.4 nm, we find that the magnetic switching behavior of the trilayers is not severely degraded relative to plain NiFe, while the maximum supercurrent in the $\pi$-state of the trilayer Josephson junctions is increased by a factor of four relative to that of NiFe junctions. We speculate that the supercurrent enhancement is due to the different spin-dependent transport properties of the Cu/Ni and Cu/NiFe interfaces.

연구 동기 및 목표

• 냉각 메모리 및 논리 응용 분야에서 사용되는 조지프슨 접합에 쓰이는 부드러운 자기성 니켈철(퍼멀로이)에서의 열악한 슈퍼전류 전송 문제를 해결하기 위해.
• 메모리 응용 분야에서 자기 제어 성능을 손상시키지 않은 채 니켈철 기반 접합에서 고도의 자기 스위칭 효율성을 유지하면서 슈퍼전류 밀도를 향상시키기 위해.
• 박막 니켈 캡핑층을 이용한 인터페이스 공학이 구리/니켈철 인터페이스를 통해 스핀 의존성 운반을 향상시킬 수 있는지 조사하기 위해.
• 메모리 응용 분야에서 자기 제어 성능을 훼손시키지 않은 채 S/F/S 접합에서 임계 전류 밀도(Jc)를 최적화하기 위해.
• 페로자성 이방성 구조를 통한 슈퍼전류 운반에서 경계 저항과 스핀 산산각 비대칭성의 기여도를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 실리콘 기판 위에서 DC 트라이오드 마그네트론 스퍼터링을 이용해 양쪽면에 0.4 nm 두께의 니켈 층을 가진 니켈/니켈철/니켈 삼중막 구조를 제작하였다.
• 니켈철 두께를 0.4에서 3.2 nm까지 0.4 nm 간격으로 변화시키고, 더 얇은 0.2 nm 두께의 니켈 캡핑층도 연구하였다.
• 10 K에서 SQUID 기반 진동 샘플 자화도 측정기(VSM)를 사용하여 자기 히스테리시스 및 스위칭 행동을 측정하였다.
• 하부 Nb/Al/Si/SiO2 스텐실 공정을 이용해 조지프슨 접합을 제작하였으며, 삼중막 F층과 터널 장벽을 포함하였다.
• 니켈철 두께와 니켈 캡핑 두께의 함수로 임계 전류(Ic)와 위상 상태(0 또는 π)를 측정하였다.
• 삼중막 접합에서의 슈퍼전류 전송 및 자기 스위칭 성능을 기준 니켈철 전용 접합과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부드러운 자기성 니켈철 기반 조지프슨 접합에서 자기 스위칭 성능을 떨어뜨리지 않고 슈퍼전류 전송을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 구리/니켈철 인터페이스에 박막 니켈 층을 삽입함으로써 스핀 의존성 운반과 임계 전류 밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 니켈철에서의 슈퍼전류 억제에 있어 경계 저항과 스핀 산산각 비대칭성의 상대 기여도는 어느 정도인가?
• RQ4 삼중막 접합에서의 0–π 전이 행동은 니켈철 두께와 니켈 캡핑층 두께에 따라 어느 정도 의존하는가?
• RQ5 가로 치수를 늘리지 않고도 S/F/S 접합에서 임계 전류 밀도를 인터페이스 공학을 통해 증가시킬 수 있는가?

주요 결과

• 0.4 nm 두께의 니켈 캡핑층을 사용할 경우, 니켈/니켈철/니켈 삼중막 접합의 임계 전류 밀도(Jc)가 순수한 니켈철 접합 대비 4배로 증가하였다.
• 삼중막의 자기 스위칭 행동은 동일 두께의 순수한 니켈철 필름에 비해 약간 떨어졌지만, 여전히 부드러운 자기성 특성을 유지하였다.
• 슈퍼전류 향상은 구리/니켈 인터페이스에서의 스핀 산산각 비대칭성 감소와 경계 저항 감소 덕분으로 기인한다.
• 삼중막 구조는 니켈철 두께의 함수로 잘 정의된 0–π 전이를 유지하여 공명적인 슈퍼전류 운반을 나타내었다.
• 0.4 nm 두께의 니켈 캡핑층이 슈퍼전류 향상과 자기 안정성의 균형을 이루는 데 최적의 조건이었다.
• 결과적으로 인터페이스 공학을 통해 고도의 슈퍼전류 전송과 자기 경화의 상관관계를 분리할 수 있음을 입증하여 고성능 자기 메모리 장치의 실현 가능성을 보여주었다.