[论文解读] Colossal proximity effect in a superconducting triplet spin valve based on halfmetallic ferromagnetic CrO2

Ajay Singh, S. Voltan+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2014

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 23被引用 4

一句话总结

本研究通过使用半金属CrO2作为铁磁漏极层，在超导三重态自旋阀（TSV）中展示了巨大的近邻效应。通过将外磁场从平面内旋转至平面外，研究人员实现了临界温度（Tc）高达800 mK的显著抑制，归因于CrO2的100%自旋极化率和长自旋扩散长度，高效生成了长程自旋极化三重态Cooper对。

ABSTRACT

Ferromagnets can sustain supercurrents through the formation of equal spin triplet Cooper pairs and the mechanism of odd-frequency pairing. Since such pairs are not broken by the exchange energy of the ferromagnet, superconducting triplet correlations are long-ranged and spin-polarized, with promises for superconducting spintronics devices. The main challenge is to understand how triplets are generated at the superconductor (S)/ ferromagnet (F) interface. Here we use the concept of a so-called triplet spin valve (TSV) to investigate the conversion of singlets in a conventional superconductor to triplets in the halfmetallic ferromagnet CrO_2. TSV's are composed of two ferromagnetic layers (separated by a thin normal metal (N) layer) and a superconductor (F_1/N/F_2/S). The package F_1/N/F_2 generates triplets in F_1 when the magnetization directions of the F_{1,2}-layers are not collinear. This drains singlet pairs from the S-layer, and triplet generation is therefore signalled by a decrease of the critical temperature $T_c$. Recently, experiments with TSV's were reported with Co draining layers, using in-plane fields, and finding T_c-shifts up to 100~mK. Using CrO_2 instead of Co and rotating a magnetic field from in-plane to out-of-plane, we find strong T_c variations of almost a Kelvin up to fields of the order of a Tesla. Such strong drainage is consistent with the large lengths over which supercurrents can flow in CrO_2, which are significantly larger than in conventional ferromagnets. Our results point to the special interest of halfmetals for superconducting spintronics.

研究动机与目标

• 通过三重态自旋阀（TSV）结构，研究在超导体/半金属铁磁体界面处三重态Cooper对生成效率。
• 探讨磁场取向（平面内与平面外）对基于半金属CrO2的TSV中近邻效应及三重态对生成的影响。
• 量化界面透射率与自旋积累在半金属基TSV中增强三重态配对效率的作用。
• 确立CrO2作为超导自旋电子器件优越材料的地位，因其具有高自旋极化率和长三重态相干长度。

提出的方法

• 在通过化学气相沉积法在TiO2上外延生长的高质量单晶CrO2薄膜上，制备了MoGe/Ni/Cu三明治结构的TSV器件。
• 采用可旋转样品架的角依赖磁阻测量，改变磁场相对于薄膜平面的取向（从平面内到平面外）。
• 测量超导层临界温度（Tc）随磁场的变化，通过Tc抑制现象探测三重态对生成。
• 对比带有与不带F2层的TSV器件中Tc的变化，以分离自旋阀效应并量化三重态生成效率。
• 分析常温电阻（RN）及其倒数，关联界面透射率与Tc抑制幅度。
• 采用自旋积累与界面透射率概念对系统进行建模，指出标准过量电阻公式在半金属P=1时发散。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁场取向（平面内与平面外）在多大程度上可调制基于CrO2的三重态自旋阀中的临界温度（Tc）？
• RQ2 与Co或Ni等传统铁磁体相比，使用半金属铁磁体如CrO2如何增强三重态对的生成？
• RQ3 界面透射率与自旋积累在决定半金属基TSV中三重态配对效率方面起什么作用？
• RQ4 为何在平面内磁场依赖的转变曲线中出现电阻峰？其与同自旋Cooper对破坏的关系是什么？
• RQ5 TSV中的Tc抑制能否作为三重态对生成的定量探针，特别是在接近100%自旋极化的材料中？

主要发现

• 在2 T磁场下，TSV中观察到临界温度（Tc）最大抑制达800 mK，表明存在巨大的近邻效应。
• Tc抑制在约1 T的磁场范围内持续存在，证明在宽广磁场范围内三重态对生成具有鲁棒性。
• Tc抑制强烈依赖于磁场取向，当磁场从平面内旋转至平面外时效应最大。
• 平面内磁场依赖转变曲线中观察到的电阻峰归因于界面处同自旋Cooper对破坏引起的自旋积累。
• 常温电阻倒数（1/RN）与最大Tc抑制幅度呈现清晰相关性，表明界面透射率显著影响三重态生成效率。
• 结果证实，作为100%自旋极化的半金属，CrO2可支持长程三重态超电流，是超导自旋电子学应用的理想材料。