[论文解读] Circuit QED detection of induced two-fold anisotropic pairing in a hybrid superconductor-ferromagnet bilayer

C. G. L. Bøttcher, Nicholas R. Poniatowski+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2023

Quantum and electron transport phenomena被引用 5

一句话总结

本研究开发了一种基于电路量子电动力学（circuit QED）的微波谐振器技术，用于探测微米尺度超导-铁磁（S/F）双异质结中的超流密度，揭示了两重对称性配对及幂律温度标度，表明存在节点型p波配对。该方法以高灵敏度探测了近邻诱导的三重态超导性，同时发现了在铁磁共振频率处出人意料的自旋动力学耦合。

ABSTRACT

Hybrid systems represent one of the frontiers in the study of unconventional superconductivity and are a promising platform to realize topological superconducting states. Owing to their mesoscopic dimensions, these materials are challenging to probe using many conventional measurement techniques, and require new experimental probes to successfully characterize. In this work, we develop a probe that enables us to measure the superfluid density of micron-size superconductors using microwave techniques drawn from circuit quantum electrodynamics (cQED). We apply this technique to a paradigmatic hybrid system, the superconductor/ferromagnet bilayer, and find that the proximity-induced superfluid density is two-fold anisotropic within the plane of the sample and exhibits power law temperature-scaling which is indicative of a nodal superconducting state. These experimental results are consistent with the theoretically predicted signatures of induced triplet pairing with a nodal $p$-wave order parameter. Moreover, we unexpectedly observe drastic modifications to the microwave response at frequencies near the ferromagnetic resonance, suggesting a coupling between the spin dynamics and induced superconducting order in the ferromagnetic layer. Our results offer new insights into the unconventional superconducting states induced in superconductor/ferromagnet heterostructures and simultaneously establish a new avenue for the study of fragile unconventional superconductivity in low-dimensional materials such as van der Waals heterostructures.

研究动机与目标

• 开发一种高灵敏度的微波探测技术，用于探测传统体相技术失效的混合异质结构中宏观尺度的超导态。
• 利用片上超导微波谐振器，直接测量微米尺度S/F双异质结中的超流密度。
• 表征铁磁层中近邻诱导超导性的配对对称性，特别是检验非传统节点态的存在。
• 研究铁磁体中的自旋动力学与诱导超导序之间的相互作用，通过微波响应进行探究。
• 建立一种新的实验平台，用于研究低维体系（如范德华异质结）中脆弱的非传统超导性。

提出的方法

• 将微米尺度的S/F双异质结集成到超导微波谐振器中，以实现强耦合和局域电磁探测。
• 利用温度依赖的谐振频率偏移作为超流密度的直接测量手段，基于伦敦穿透深度关系。
• 采用磁场取向校准协议，消除涡旋伪影，确保测量结果可重复且无滞后。
• 对温度依赖的频率偏移进行幂律拟合，以提取反映配对对称性的临界指数。
• 通过改变平面内和垂直于平面的外磁场，比较谐振器响应，以分离超导序与正常态响应的影响。
• 将数据归一化为总频率偏移，以解耦温度标度与整体幅值，从而在不同磁场构型下实现稳健比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 电路QED技术能否在传统探测手段失效的介观S/F双异质结中检测并量化超流密度？
• RQ2 S/F双异质结平面内诱导的超流密度具有怎样的角度依赖性？是否揭示了各向异性配对？
• RQ3 超流密度的温度依赖性是否遵循幂律？这对其配对对称性有何含义？
• RQ4 是否存在铁磁体自旋动力学与诱导超导序之间耦合的证据，特别是在铁磁共振频率附近？
• RQ5 在施加外磁场时，S/F谐振器的微波响应与裸铌（Nb）谐振器有何不同？

主要发现

• S/F双异质结中的超流密度在样品平面内表现出两重对称性各向异性，表明诱导超导态中存在旋转对称性破缺。
• 超流密度的温度依赖性遵循幂律标度，指数n ≈ 4，与节点型超导能隙一致，支持p波配对对称性。
• 观察到的幂律标度对外加磁场具有鲁棒性，且与垂直磁场方向无关，表明其源于本征的配对物理而非外在效应。
• 在铁磁共振频率附近观察到显著的微波响应偏离，表明自旋动力学与诱导超导序之间存在强耦合。
• 裸铌（Nb）谐振器的微波响应呈各向同性且具有激活（幂律）温度依赖性，但无各向异性或磁场依赖的标度行为，证实S/F体系中的各向异性源于异质结态。
• 磁场取向校准程序成功消除了涡旋引起的伪影，实现了高度可重复且系统性的温度依赖谐振频率轨迹。