[论文解读] 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 10

一句话总结

本研究通过工程化Ni/NiFe/Ni三明治界面，增强了铁磁约瑟夫森结中的超导电流传输，与纯NiFe结相比，临界电流密度提高了四倍。该策略利用了Cu/Ni界面处改善的自旋依赖输运，同时在软磁NiFe层中保持了近乎理想的磁开关行为，显著提升了低温存储与逻辑应用中的超导电流性能。

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.

研究动机与目标

• 解决在低温存储与逻辑应用中，用于约瑟夫森结的软磁NiFe（ permalloy）材料中超导电流传输性能差的问题。
• 在保持NiFe基结高磁开关效率的同时，提升超导电流密度。
• 探究在Cu/NiFe界面处引入薄Ni盖层是否可改善自旋依赖输运。
• 在不损害磁控性能以用于存储应用的前提下，优化S/F/S结中的临界电流密度（Jc）。
• 探讨界面电阻与自旋散射不对称性在铁磁异质结构中超导电流输运中的作用。

提出的方法

• 采用直流三极磁控溅射在Si衬底上制备了Ni/NiFe/Ni三明治结构，NiFe层两侧各覆盖0.4 nm的Ni层。
• 以0.4 nm为步长，将NiFe厚度从0.4 nm变化至3.2 nm，并进一步研究了0.2 nm的更薄Ni盖层。
• 在10 K下利用基于SQUID的振动样品磁强计（VSM）测量磁滞回线与开关行为。
• 采用底部Nb/Al/Si/SiO2掩模工艺制备约瑟夫森结，其中包含三明治型F层与隧道势垒。
• 测量了结的临界电流（Ic）与相位态（0或π）随NiFe厚度与Ni盖层厚度的变化。
• 将三明治结的超导电流传输与参考的仅含NiFe的结进行了对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在不劣化磁开关性能的前提下，增强基于软磁NiFe的约瑟夫森结中超导电流的传输？
• RQ2 在Cu/NiFe界面处插入薄Ni层，如何影响自旋依赖输运与临界电流密度？
• RQ3 界面电阻与自旋散射不对称性在NiFe中超导电流抑制中的相对贡献是什么？
• RQ4 三明治结中0–π转变行为在多大程度上依赖于NiFe厚度与Ni盖层厚度？
• RQ5 是否可通过工程化铁磁界面，在不增加横向面积的前提下提高S/F/S结中的临界电流密度？

主要发现

• 当使用0.4 nm Ni盖层时，Ni/NiFe/Ni三明治结的临界电流密度（Jc）相比纯NiFe结提高了四倍。
• 三明治结构的磁开关行为仅比相同厚度的纯NiFe薄膜略有劣化，有效保持了软磁特性。
• 超导电流增强归因于Cu/Ni界面相比Cu/NiFe界面具有更低的自旋散射不对称性与界面电阻。
• 三明治结构在NiFe厚度变化下保持了清晰的0–π转变，表明存在相干的超导电流输运。
• 0.4 nm的Ni盖层在超导电流增强与磁稳定性之间实现了最佳平衡。
• 结果表明，界面工程可实现高超导电流传输与磁硬化性能的解耦，从而实现高性能磁存储器件。