[論文レビュー] Enhancement of supercurrent through ferromagnetic materials by interface engineering

Swapna Sindhu Mishra, Robert M. Klaes+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 50被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、Ni/NiFe/Ni三層界面を設計することで、強磁性ヨセフソン接合におけるスーパーカレント伝送を向上させ、純チタン鉄（NiFe）接合と比較して臨界電流密度を4倍に増加させた。この戦略は、Cu/Ni界面におけるスピン依存輸送の向上を活用し、ソフトNiFe層の近似理想的な磁気スイッチング特性を維持しながら、低温度記憶および論理応用向けに顕著に向上したスーパーカレント性能を実現した。

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.

研究の動機と目的

• 低温記憶および論理応用に用いられるヨセフソン接合におけるソフト磁性NiFe（パルマロイ）の低効率なスーパーカレント伝送を改善すること。
• 記憶応用に適した磁気制御を損なわせることなく、NiFeベースの接合で高い磁気スイッチング効率を維持しながら、スーパーカレント密度を向上させること。
• 薄いNiキャップ層による界面工学的設計が、Cu/NiFe界面を介したスピン依存輸送をどのように改善するかを調査すること。
• 磁気制御を損なわず、S/F/S接合における臨界電流密度（Jc）を最適化すること。
• 境界抵抗およびスピン散乱非対称性が、強磁性ヘテロ構造内を通過するスーパーカレント輸送に与える寄与を明らかにすること。

提案手法

• Si基板上に、dc三極磁気スパッタリング法を用いて、NiFe層の両側に0.4 nmのNi層を有するNi/NiFe/Ni三層構造を形成した。
• NiFe厚さを0.4〜3.2 nmの範囲で0.4 nm刻みで変化させ、さらに薄い0.2 nmのNiキャップ層についても検討した。
• 10 KでSQUIDを用いた振動型サブスタント磁化計測法（VSM）を用いて、磁気ヒステリシスおよびスイッチング特性を測定した。
• 下部Nb/Al/Si/SiO2ステンシルプロセスを用いてヨセフソン接合を形成し、三層F層およびトンネル障壁を組み込んだ。
• NiFe厚さおよびNiキャップ層厚さの関数として、臨界電流（Ic）および位相状態（0またはπ）を測定した。
• 三層接合と参照用のNiFeのみの接合との間で、スーパーカレント伝送および磁気スイッチング特性を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ソフト磁性NiFeベースのヨセフソン接合におけるスーパーカレント伝送は、磁気スイッチング特性の劣化を伴わず向上させられるか？
• RQ2 Cu/NiFe界面に薄いNi層を挿入することで、スピン依存輸送および臨界電流密度にどのような影響を与えるか？
• RQ3 NiFeにおけるスーパーカレント抑制に寄与する主な要因として、界面抵抗とスピン散乱非対称性の相対的寄与は何か？
• RQ4 三層接合における0–π遷移行動は、NiFe厚さおよびNiキャップ層厚さにどの程度依存するか？
• RQ5 横方向の面積を増加させることなく、S/F/S接合における臨界電流密度を界面工学によって向上させられるか？

主な発見

• 0.4 nmのNiキャップ層を用いたNi/NiFe/Ni三層接合では、純チタン鉄接合と比較して臨界電流密度（Jc）が4倍に増加した。
• 三層構造の磁気スイッチング特性は、同等厚さの純チタン鉄膜と比較してわずかに劣化にとどまり、ソフト磁性特性が良好に維持された。
• スーパーカレントの向上は、Cu/Ni界面におけるスピン散乱非対称性の低減および境界抵抗の低下に起因すると考えられる。
• 三層構造は、NiFe厚さの関数として明確な0–π遷移を示し、一様なスーパーカレント輸送が可能であることを示した。
• 0.4 nmのNiキャップ層が、スーパーカレントの向上と磁気的安定性の両立において最適であった。
• 本結果は、界面工学を用いることで、高効率なスーパーカレント伝送と磁気硬化の分離が可能であることを示しており、高性能な磁気メモリ素子の実現に寄与する。