[论文解读] Evidence for anisotropic spin-triplet Andreev reflection at the 2D van der Waals ferromagnet/superconductor interface

Ranran Cai, Yunyan Yao+12 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 45被引用 39

一句话总结

本研究通过Rashba自旋轨道耦合，在二维范德华铁磁体/超导体（Fe₀.₂₉TaS₂/NbN）界面提供了各向异性自旋三重态Andreev反射的实验证据。观测到的强磁场方向依赖性磁阻——当磁化方向为面外时达到峰值——证实了自旋三重态超导性和界面处非共线自旋混合的存在，为拓扑量子计算和自旋电子学器件提供了平台。

ABSTRACT

Fundamental symmetry breaking and relativistic spin-orbit coupling give rise to fascinating phenomena in quantum materials. Of particular interest are the interfaces between ferromagnets and common s-wave superconductors, where the emergent spin-orbit fields support elusive spin-triplet superconductivity, crucial for superconducting spintronics and topologically-protected Majorana bound states. Here, we report the observation of large magnetoresistances at the interface between a quasi-two-dimensional van der Waals ferromagnet Fe0.29TaS2 and a conventional s-wave superconductor NbN, which provides the possible experimental evidence for the spin triplet Andreev reflection and induced spin-triplet superconductivity at ferromagnet/superconductor interface arising from Rashba spin-orbit coupling. The temperature, voltage, and interfacial barrier dependences of the magnetoresistance further support the induced spin-triplet superconductivity and spin-triplet Andreev reflection. This discovery, together with the impressive advances in two-dimensional van der Waals ferromagnets, opens an important opportunity to design and probe superconducting interfaces with exotic properties.

研究动机与目标

• 证明在二维范德华铁磁体/超导体界面存在自旋三重态Andreev反射。
• 确立界面处Rashba自旋轨道耦合可实现各向异性自旋三重态配对和非共线自旋混合。
• 排除在NbN型II超导体中涡旋效应作为观测到磁阻的起源。
• 提供在无晶格匹配限制的平台中诱导自旋三重态超导性的实验证据。
• 探索在二维量子材料中实现拓扑Majorana束缚态和无耗散自旋电流的可行性。

提出的方法

• 利用机械剥离的Fe₀.₂₉TaS₂（二维vdW铁磁体）和NbN（s波超导体）构建三端口异质结，并使用Pt正常金属接触。
• 在T = 2 K下，通过改变磁场方向角（Θyz）测量界面电阻，采用三端口几何结构。
• 利用反常霍尔效应表征Fe₀.₂₉TaS₂的居里温度（~90 K）和磁易轴方向（垂直于平面）。
• 通过Al/NbN异质结进行对照实验，以隔离涡旋贡献，并使用RJS匹配器件进行比较。
• 分析dI/dV曲线的偏置与温度依赖性，评估界面透射率和Andreev反射强度。
• 采用自旋轨道耦合配对（Rashba + Dresselhaus）的理论建模，推导出自旋三重态Andreev反射的角依赖性，预测当自旋量化轴与平面内波矢垂直时反射被抑制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有Rashba自旋轨道耦合的二维范德华FM/SC界面，能否实验观测到各向异性自旋三重态Andreev反射？
• RQ2 观测到的磁阻是否依赖于铁磁体磁化方向与界面自旋轨道场之间的相对取向？
• RQ3 在NbN型II超导体中，涡旋对测量磁阻的贡献如何？
• RQ4 界面透射率（势垒强度）如何影响自旋三重态Andreev反射的可观测性？
• RQ5 磁阻的角依赖性是否可由自旋轨道耦合诱导的自旋三重态配对解释？

主要发现

• 在T = 2 K下，当磁场在yz平面内旋转时，观测到约20%的强磁阻，且在Θyz = 0°（磁化方向为面外）时达到最大值。
• 磁阻比MR(Θyz) = [R(Θyz) − R(0°)] / R(0°) × 100%在Θyz = 90°时达到约20%，表明存在强烈的各向异性。
• 在T = 20 K下的正常态电阻随磁场方向角变化可忽略，排除了几何或应变效应的影响。
• Al/NbN异质结的对照实验显示磁阻仅约3%，处于噪声水平内，排除涡旋效应作为主导机制。
• 在T = 2 K下，零偏置电导约为正常态值（GN）的80%，表明界面势垒强度适中，与显著的Andreev反射贡献一致。
• 理论建模证实，当电子的平面内波矢垂直于自旋量化轴时，自旋三重态Andreev反射消失，从而解释了观测到的角依赖性。