[논문 리뷰] Evidence for anisotropic spin-triplet Andreev reflection at the 2D van der Waals ferromagnet/superconductor interface

Ranran Cai, Yunyan Yao외 12명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 02.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 45인용 수 39

한 줄 요약

이 연구는 라슈바 스핀-오비트 결합에 의해 유도된 2D 반데발스 페로자성체/초전도체(Fe₀.₂₉TaS₂/NbN) 계면에서 비등방성 스핀트리플렛 안드레에프 반사에 대한 실험적 증거를 제시한다. 자기장 방향에 따라 강하게 변화하는 큰 자기저항이 관측되었으며, 이는 자화가 면외 방향일 때 최대가 되는데, 이는 스핀트리플렛 초전도성과 계면에서의 비동축 스핀혼합을 확인하는 것으로, 토폴로지 양자컴퓨팅과 스핀트로닉스 장치를 위한 플랫폼을 제공한다.

ABSTRACT

Fundamental symmetry breaking and relativistic spin-orbit coupling give rise to fascinating phenomena in quantum materials. Of particular interest are the interfaces between ferromagnets and common s-wave superconductors, where the emergent spin-orbit fields support elusive spin-triplet superconductivity, crucial for superconducting spintronics and topologically-protected Majorana bound states. Here, we report the observation of large magnetoresistances at the interface between a quasi-two-dimensional van der Waals ferromagnet Fe0.29TaS2 and a conventional s-wave superconductor NbN, which provides the possible experimental evidence for the spin triplet Andreev reflection and induced spin-triplet superconductivity at ferromagnet/superconductor interface arising from Rashba spin-orbit coupling. The temperature, voltage, and interfacial barrier dependences of the magnetoresistance further support the induced spin-triplet superconductivity and spin-triplet Andreev reflection. This discovery, together with the impressive advances in two-dimensional van der Waals ferromagnets, opens an important opportunity to design and probe superconducting interfaces with exotic properties.

연구 동기 및 목표

• 2D 반데발스 페로자성체/초전도체 계면에서 스핀트리플렛 안드레에프 반사의 존재를 입증하는 것.
• 계면에서의 라슈바 스핀-오비트 결합이 비등방성 스핀트리플렛 쌍성과 비동축 스핀혼합을 가능하게 한다는 것을 확립하는 것.
• 형광성 초전도체인 NbN에서 관측된 자기저항의 기원으로서 비틀림 효과를 배제하는 것.
• 격자 매칭 제약이 없는 플랫폼에서 유도된 스핀트리플렛 초전도성에 대한 실험적 증거를 제공하는 것.
• 2D 양자물질에서 토폴로지 메이저라 상태와 소산 없는 스핀 전류를 실현할 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 외재된 Fe₀.₂₉TaS₂(2D vdW 페로자성체)와 NbN(s-파 초전도체)를 사용하여 3단자 이종구조를 제작하고, Pt 정상 금속 접촉을 적용하였다.
• T = 2 K에서 자기장 각도(Θyz)를 변화시키며 3단자 기하구조를 이용해 계면 저항을 측정하였다.
• 이상한 홀 효과를 활용하여 Fe₀.₂₉TaS₂의 희망 전이 온도(~90 K)와 자화의 용이 축(면에 수직)을 특성화하였다.
• Al/NbN 이종구조를 사용한 제어 실험을 통해 비틀림 기여를 분리하였으며, RJS가 일치하는 장치를 비교하였다.
• dI/dV 곡선의 편향 및 온도 의존성을 분석하여 계면 투과도와 안드레에프 반사 강도를 평가하였다.
• 스핀-오비트 결합 쌍성(Rashba + Dresselhaus)의 이론적 모델링을 사용하여 스핀트리플렛 안드레에프 반사의 각도 의존성을 유도하였으며, 전자 내 평면 파동벡터가 스핀 정량화 축과 수직일 경우 반사가 억제됨을 예측하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라슈바 스핀-오비트 결합이 있는 2D 반데발스 FM/SC 계면에서 비등방성 스핀트리플렛 안드레에프 반사를 실험적으로 관측할 수 있는가?
• RQ2 관측된 자기저항은 페로자성체의 자화와 계면에서의 스핀-오비트 장 간의 상대적 정렬에 따라 달라지는가?
• RQ3 형광성 초전도체인 NbN의 비틀림이 측정된 자기저항에 기여하는가?
• RQ4 계면 투과도(장애 강도)는 스핀트리플렛 안드레에프 반사의 가시성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 자기저항의 각도 의존성은 스핀-오비트 결합에 의해 유도된 스핀트리플렛 쌍성으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 자기장이 yz 평면에서 회전되었을 때 T = 2 K에서 약 20%의 큰 자기저항이 관측되었으며, 자화가 면외 방향일 때 최대가 되었다(Θyz = 0°).
• 정상 상태 저항은 T = 20 K에서 자기장 각도에 따라 거의 변화가 없었으며, 기하학적 또는 응력 효과를 배제하였다.
• Al/NbN 이종구조를 사용한 제어 실험에서 노이즈 수준 이내 약 3%의 MR만 관측되어, 비틀림 기여가 주요 메커니즘이 아니라는 것을 배제하였다.
• T = 2 K에서의 영점 편향 도전도는 정상 상태 값(GN)의 약 80%였으며, 이는 중간 정도의 계면 장벽 강도를 나타내었으며, 상당한 양의 안드레에프 반사 기여를 일관되게 나타내었다.
• 이론적 모델링은 전자의 평면 파동벡터가 스핀 정량화 축과 수직일 경우 스핀트리플렛 안드레에프 반사가 사라짐을 확인하였으며, 이는 관측된 각도 의존성을 설명한다.