[论文解读] Giant anisotropic magnetoresistance in Ising superconductor-magnetic insulator tunnel junctions

Kaifei Kang, Shengwei Jiang+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2021

2D Materials and Applications参考文献 30被引用 10

一句话总结

本研究在由二维伊辛超导体（NbSe₂）与铁磁绝缘体（CrBr₃）组成的范德华异质结中，展示了接近100%的巨量隧道磁阻（AMR）。该效应源于界面磁交换耦合与自旋相关的准粒子散射，且超导性在平面内磁场下显著增强了AMR响应。

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.

研究动机与目标

• 探索原子级薄范德华异质结中超导性与磁性的相互作用。
• 研究界面磁交换耦合如何影响超导体-铁磁绝缘体结中的电子输运。
• 测量并理解二维伊辛超导体-磁性绝缘体隧道结中极端各向异性磁阻（AMR）的起源。
• 考察超导性在调制磁滞回线与准粒子散射动力学中的作用。

提出的方法

• 利用机械剥离的二维NbSe₂（伊辛超导体）与CrBr₃（铁磁绝缘体）制备范德华隧道结。
• 施加平面内磁场，调节磁化方向相对于结平面的取向。
• 进行隧道谱测量，以测定微分电导，并提取超导能隙与准粒子散射速率。
• 分析电阻各向异性随磁化方向的变化，以量化AMR效应。
• 在超导转变温度附近测量超导能隙能量与准粒子散射速率的磁滞回线。

实验结果

研究问题

• RQ1 在平面内磁场下，伊辛超导体-磁性绝缘体隧道结中的各向异性磁阻（AMR）的大小是多少？
• RQ2 超导性如何影响这些异质结中界面磁交换耦合与自旋相关的准粒子散射？
• RQ3 界面耦合在二维范德华异质结中产生巨量AMR的过程中起什么作用？
• RQ4 在超导转变温度附近，超导能隙与准粒子散射的磁滞回线如何表现？

主要发现

• 该隧道结表现出接近100%的各向异性磁阻（AMR），当磁化方向由垂直平面切换至平面内时，电阻发生显著变化。
• 巨量AMR效应与超导性直接相关，尤其通过界面磁交换耦合与自旋相关的准粒子散射机制。
• 在超导转变温度以下2 K处，观察到超导能隙能量与准粒子散射速率中存在一种引人注目的磁滞回线。
• 所观测到的现象源于NbSe₂中伊辛超导性与CrBr₃中强自旋轨道耦合的特殊组合，从而实现了稳健的自旋相关输运。