[논문 리뷰] Giant anisotropic magnetoresistance in Ising superconductor-magnetic insulator tunnel junctions

Kaifei Kang, Shengwei Jiang외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 05.

2D Materials and Applications참고 문헌 30인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 2D 이징 초전도체(NbSe₂)와 페로자성 절연체(CrBr₃)로 구성된 반데르발스 이종구조에서 거의 100%에 이르는 거대한 터널링 이방성 자화율 저항성(AMR)을 입증한다. 이 효과는 표면에서의 자기적 교환 결합과 스핀에 의존하는 준입자 산산조각 나누기 현상에 기인하며, 초전도성이 평행자기장 하에서 AMR 반응을 강화하는 데 핵심적인 역할을 한다.

ABSTRACT

Superconductivity and magnetism are generally incompatible because of the opposing requirement on electron spin alignment. When combined, they produce a multitude of fascinating phenomena, including unconventional superconductivity and topological superconductivity. The emergence of two-dimensional (2D)layered superconducting and magnetic materials that can form nanoscale junctions with atomically sharp interfaces presents an ideal laboratory to explore new phenomena from coexisting superconductivity and magnetic ordering. Here we report tunneling spectroscopy under an in-plane magnetic field of superconductor-ferromagnet-superconductor (S/F/S) tunnel junctions that are made of 2D Ising superconductor NbSe2 and ferromagnetic insulator CrBr3. We observe nearly 100% tunneling anisotropic magnetoresistance (AMR), that is, difference in tunnel resistance upon changing magnetization direction from out-of-plane to inplane. The giant tunneling AMR is induced by superconductivity, particularly, a result of interfacial magnetic exchange coupling and spin-dependent quasiparticle scattering. We also observe an intriguing magnetic hysteresis effect in superconducting gap energy and quasiparticle scattering rate with a critical temperature that is 2 K below the superconducting transition temperature. Our study paves the path for exploring superconducting spintronic and unconventional superconductivity in van der Waals heterostructures.

연구 동기 및 목표

• 원자 두께의 반데르발스 이종구조에서 초전도성과 자성이 상호작용하는 방식을 탐구하기 위해.
• 표면에서의 자기적 교환 결합이 초전도체-페로자성 절연체 접합에서 전자 운반성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 2D 이징 초전도체-자기 절연체 터널 접합에서 극단적인 이방성 자화율 저항성(AMR)을 측정하고 그 기원을 이해하기 위해.
• 초전도성이 자성 히스테리시스와 준입자 산산조각 나누기 역학을 어떻게 조절하는지 조사하기 위해.

제안 방법

• 접합면에 2D NbSe₂(이징 초전도체)와 CrBr₃(페로자성 절연체)를 기계적으로 분리하여 반데르발스 터널 접합을 제작한다.
• 접합면에 평행 자기장을 적용하여 자화 방향을 접합면에 대해 조절한다.
• 터널 분광법을 수행하여 미분 전도도를 측정하고 초전도 갭 및 준입자 산산조각 나누기 비율을 추출한다.
• 자화 방향에 따른 저항 이방성 분석을 통해 AMR 효과를 정량화한다.
• 초전도 전이 온도(Tc) 근처에서 초전도 갭 에너지와 준입자 산산조각 나누기 비율의 자성 히스테리시스를 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 평행 자기장 하에서 이징 초전도체-자기 절연체 터널 접합에서 이방성 자화율 저항성(AMR)의 크기는 얼마인가?
• RQ2 초전도성이 이러한 이종구조에서 표면에서의 자기적 교환 결합과 스핀에 의존하는 준입자 산산조각 나누기 현상에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 표면 결합이 2D 반데르발스 이종구조에서 거대한 AMR를 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 초전도 전이 온도 근처에서 초전도 갭과 준입자 산산조각 나누기의 자성 히스테리시스는 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 터널 접합은 자화가 수직에서 평행으로 전환될 때 저항이 급격히 변화하면서 거의 100%의 이방성 자화율 저항성(AMR)을 나타낸다.
• 거대한 AMR 효과는 초전도성과 직접적으로 연관되어 있으며, 특히 표면에서의 자기적 교환 결합과 스핀에 의존하는 준입자 산산조각 나누기 현상에 의해 발생한다.
• 초전도 전이 온도에서 2K 아래의 임계 온도에서, 초전도 갭 에너지와 준입자 산산조각 나누기 비율 모두에서 놀라운 자성 히스테리시스가 관찰된다.
• 관찰된 현상은 NbSe₂의 고유한 이징 초전도성과 CrBr₃의 강한 스핀 오비탈 결합의 조합 덕분에 발생하며, 강력한 스핀에 의존하는 운반성 조절이 가능하게 한다.