[论文解读] Magnetic Proximity-Induced Superconducting Diode Effect and Infinite Magnetoresistance in van der Waals Heterostructure

Jonginn Yun, Suhan Son+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2021

2D Materials and Applications参考文献 6被引用 11

一句话总结

本研究展示了在由NbSe₂和CrPS₄组成的范德华异质结中，磁性邻近诱导的超导二极管效应及无限磁阻效应。通过利用非中心对称超导体NbSe₂与反铁磁绝缘体CrPS₄之间的交换耦合，该器件表现出高达40%的临界电流不对称性，以及由于磁场扫掠方向依赖性和受控磁化构型而接近无穷大的磁阻比。

ABSTRACT

We report unidirectional charge transport in a $\mathrm{NbSe_2}$ noncentrosymmetric superconductor, which is exchange-coupled with a $\mathrm{CrPS_4}$ van der Waals layered antiferromagnetic insulator. The $\mathrm{NbSe_2/CrPS_4}$ bilayer device exhibits bias-dependent superconducting critical-current variations of up to $16\%$, with the magnetochiral anisotropy reaching $\sim 10^5\mathrm{\ T^{-1}A^{-1}}$. Furthermore, the $\mathrm{CrPS_4/NbSe_2/CrPS_4}$ spin-valve structure exhibits the superconducting diode effect with critical-current variations of up to $40\%$. We also utilize the magnetic proximity effect to induce switching in the superconducting state of the spin-valve structure. It exhibits an infinite magnetoresistance ratio depending on the field sweep direction and magnetization configuration. Our result demonstrates a novel route for enhancing the nonreciprocal response in the weak external field regime ($<50\mathrm{\ mT}$) by exploiting the magnetic proximity effect.

研究动机与目标

• 探索具有反演对称性破缺的范德华异质结中的非互易超导输运行为。
• 研究磁性邻近效应在诱导和调控超导二极管行为中的作用。
• 通过受控自旋阀构型实现极端磁阻响应。
• 展示磁场方向依赖的超导态开关行为，为自旋电子学与量子器件应用提供可能。

提出的方法

• 通过机械剥离与范德华堆叠工艺制备NbSe₂/CrPS₄双层异质结。
• 利用磁性邻近效应，将CrPS₄作为磁性隧道势垒，在NbSe₂中诱导交换耦合。
• 构建CrPS₄/NbSe₂/CrPS₄自旋阀结构，以控制磁化构型并探测二极管行为。
• 在不同偏置和磁场条件下测量临界电流不对称性，以量化超导二极管效应。
• 应用磁场扫掠方向依赖性，探测自旋阀构型中的无限磁阻效应。
• 采用磁致旋各向异性作为指标，评估弱磁场下非互易响应的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在范德华异质结中，磁性邻近耦合是否能诱导出具有显著临界电流不对称性的稳健超导二极管效应？
• RQ2 在低磁场条件下，此类系统可实现的磁致旋各向异性量级是多少？
• RQ3 自旋阀结构中的磁化构型如何影响超导态与电阻响应？
• RQ4 磁性邻近效应是否能实现具有不同输运特性的不同超导态之间的切换？
• RQ5 在受控磁场扫掠协议下，磁阻比可增强至何种程度，接近无穷大？

主要发现

• NbSe₂/CrPS₄双层结构表现出约10⁵ T⁻¹A⁻¹的磁致旋各向异性，表明在弱磁场下具有强烈的非互易输运特性。
• 由于磁性邻近诱导的NbSe₂自旋分裂，双层结构中的临界电流不对称性最高可达16%。
• 在CrPS₄/NbSe₂/CrPS₄自旋阀构型中，临界电流变化幅度提升至40%，表明二极管行为显著增强。
• 该自旋阀结构表现出依赖于磁场扫掠方向和初始磁化状态的无限磁阻比。
• 系统展现出磁场扫掠方向依赖的超导态切换行为，实现了对输运特性的非易失性调控。
• 结果证实，磁性邻近效应即使在亚50 mT磁场下也能实现强烈的非互易响应，为低功耗自旋电子器件开辟新路径。