[논문 리뷰] Magnetic Proximity-Induced Superconducting Diode Effect and Infinite Magnetoresistance in van der Waals Heterostructure

Jonginn Yun, Suhan Son외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 10.

2D Materials and Applications참고 문헌 6인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 비대칭 초전도체인 NbSe₂와 반자성 절연체인 CrPS₄로 구성된 반데르발스 이중층 구조에서 자기장 근접 효과에 의해 유도된 초전도 다이오드 효과와 무한한 자기저항을 입증한다. 비대칭 구조를 가진 초전도체인 NbSe₂와 반자성 절연체인 CrPS₄ 사이의 스핀 교환 결합을 활용하여, 장치는 최대 40%의 임계전류 비대칭성과 자기장 스위프 방향 의존성 및 제어 가능한 자화 구성을 통해 무한에 가까운 자기저항 비율을 나타낸다.

ABSTRACT

We report unidirectional charge transport in a $\mathrm{NbSe_2}$ noncentrosymmetric superconductor, which is exchange-coupled with a $\mathrm{CrPS_4}$ van der Waals layered antiferromagnetic insulator. The $\mathrm{NbSe_2/CrPS_4}$ bilayer device exhibits bias-dependent superconducting critical-current variations of up to $16\%$, with the magnetochiral anisotropy reaching $\sim 10^5\mathrm{\ T^{-1}A^{-1}}$. Furthermore, the $\mathrm{CrPS_4/NbSe_2/CrPS_4}$ spin-valve structure exhibits the superconducting diode effect with critical-current variations of up to $40\%$. We also utilize the magnetic proximity effect to induce switching in the superconducting state of the spin-valve structure. It exhibits an infinite magnetoresistance ratio depending on the field sweep direction and magnetization configuration. Our result demonstrates a novel route for enhancing the nonreciprocal response in the weak external field regime ($<50\mathrm{\ mT}$) by exploiting the magnetic proximity effect.

연구 동기 및 목표

• 비대칭 구조를 가진 반데르발스 이중층에서 비상호작용 초전도 전류 운반을 탐색한다.
• 자기장 근접 효과가 초전도 다이오드 거동을 유도하고 조절하는 데서 수행하는 역할을 조사한다.
• 제어된 스핀 밸브 구조를 통해 극한의 자기저항 반응을 달성한다.
• 스핀트로닉스 및 양자 장치 응용을 위한 잠재적 응용을 위해 초전도 상태에서의 자기장 방향 의존성 스위칭을 입증한다.

제안 방법

• 기계적 분리 및 반데르발스 조립을 통해 NbSe₂/CrPS₄ 이중층 이중층 구조를 제작한다.
• CrPS₄를 자기장 근접 효과를 통해 NbSe₂에 교환 결합을 유도하는 자기적 터널 장벽로 사용한다.
• 자화 구성을 제어하고 다이오드 거동을 탐사하기 위해 CrPS₄/NbSe₂/CrPS₄ 스핀 밸브 구조를 구현한다.
• 임계전류 비대칭성을 측정하기 위해 다양한 편향 및 자기장 조건에서 분석한다.
• 자기장 스위프 방향 의존성을 적용하여 스핀 밸브 구조에서 무한한 자기저항을 탐지한다.
• 약한 자기장 조건에서 비상호작용 반응을 평가하기 위해 자기장-비대칭 이성질성을 지표로 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반데르발스 이중층에서 자기장 근접 결합이 뚜렷한 임계전류 비대칭성을 보이는 강력한 초전도 다이오드 효과를 유도할 수 있는가?
• RQ2 약한 자기장 조건에서 이러한 시스템에서 달성 가능한 자기장-비대칭 이성질성의 크기는 얼마인가?
• RQ3 스핀 밸브 구조에서의 자화 구성이 초전도 상태와 저항 반응에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 자기장 근접 효과가 서로 다른 전류 특성을 가진 별개의 초전도 상태 간의 스위칭을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 제어된 자기장 스위프 프로토콜에서 자기저항 비율이 얼마나 높아져 무한에 가까워질 수 있는가?

주요 결과

• NbSe₂/CrPS₄ 이중층은 약 10⁵ T⁻¹A⁻¹의 자기장-비대칭 이성질성을 나타내어 약한 자기장 조건에서 강력한 비상호작용 전류 운반을 나타낸다.
• 자기장 근접 효과에 의해 NbSe₂에서 유도된 스핀 분리로 인해 이중층에서 임계전류 비대칭성이 최대 16%에 이른다.
• CrPS₄/NbSe₂/CrPS₄ 스핀 밸브 구조에서는 임계전류 변화가 40%로 증가하여 강화된 다이오드 거동을 보여준다.
• 스핀 밸브 구조는 자기장 스위프 방향과 初기 자화 상태에 따라 의존하는 무한한 자기저항 비율을 나타낸다.
• 장치는 자기장 스위프 방향 의존성에 따라 초전도 상태 간의 스위칭을 보이며, 비가역적 방식으로 전류 특성을 제어할 수 있다.
• 결과적으로 자기장 근접 효과는 50 mT 미만의 낮은 자기장에서도 강력한 비상호작용 반응을 가능하게 하여 저전력 스핀트로닉스 장치를 위한 새로운 길을 열어준다.