物理所發現自旋三重態超導電流產生自旋轉移力矩的實驗證據

2020-11-25 中國科學院

　　超導體中的庫珀對通常是由一對自旋相反總自旋為零（自旋單態）的電子組成。然而，在某些特殊情況下，超導-鐵磁界面處可以產生自旋三重態的庫珀對。由於自旋三重態的庫珀對攜帶淨餘磁矩，它們在輸運時會產生一個無能量耗散的自旋極化電流，將會極大地降低自旋電子學器件的能耗。同時，三重態的庫珀對具有的另一特點是對鐵磁體中的交換場不敏感，因而在鐵磁體中具有極長的關聯長度。研究如何產生、調控和利用自旋極化的三重態超導電流，形成了一個新的前沿方向——超導自旋電子學。在過去的十多年裡，一些理論模型紛紛預言了如何在超導/鐵磁異質結構中產生自旋三重態庫珀對和超導電流。但是，相應的實驗證據卻很稀少。目前，僅有少量實驗研究利用電輸運性質的測量，在一些超導/鐵磁異質結構中觀察到反常的長程關聯，間接推測可能存在三重態超導電流。然而，對自旋三重態超導電流的產生和利用還缺乏與磁性相關的更為直接的實驗證據。

　　近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學國家重點實驗室研究員孫陽和博士生李來來與沙特國王科技大學博士趙月雷、教授張西祥合作，在超導自旋電子學領域取得了重要實驗進展，發現在鐵磁性超導約瑟夫森結中，超導電性可以極大地改變鐵磁體中的磁化動力學行為，為自旋三重態超導電流的存在和利用提供了更為直接的實驗證據。

　　在自旋電子學中，一個著名的效應是自旋極化的電流產生自旋轉移力矩（spin-transfer torque），該效應已被廣泛用於自旋電子學器件中調控磁矩翻轉和磁化動力學。如果能夠在實驗上觀察到自旋極化的三重態超導電流產生自旋轉移力矩，不僅將確認三重態超導電流的存在，而且將為超導自旋電子學的應用鋪平道路。

　　孫陽與合作者利用低溫諧振腔鐵磁共振技術，研究了超導/鐵磁/超導約瑟夫森結（Nb/Ni80Fe20/Nb）的磁化動力學行為隨溫度的變化。實驗發現，在超導轉變溫度TC以上，鐵磁共振場Hr幾乎不隨溫度變化；進入超導轉變溫度TC以下，鐵磁共振場Hr隨溫度降低迅速向低場移動，到4.2 K時，共振場移動可達到700 Oe。在固定頻率下，鐵磁共振場的移動表明，超導電性對鐵磁體的磁化動力學產生了巨大影響。

　　為了排除該效應可能來源於超導體的抗磁性（Meissner效應），他們做了一系列對比實驗。首先，在超導/鐵磁雙層膜（Nb/Ni80Fe20）中，在超導轉變溫度TC以下，鐵磁共振場Hr隨溫度降低幾乎不發生移動。其次，當在超導/鐵磁/超導約瑟夫森結中插入一層10 nm絕緣層（Nb/MgO/Ni80Fe20/Nb）時，TC以下鐵磁共振場Hr也不再發生移動。此外，在超導/鐵磁/超導/鐵磁多層膜（Nb/Ni80Fe20/Nb/ Ni80Fe20）中，在TC以下出現兩個鐵磁共振峰，分別對應於兩層鐵磁層發生鐵磁共振，其中一支隨溫度降低向低場移動，而另一支保持不動。這些對比實驗表明：1.超導電性對磁化動力學的影響不是來自於Meissner效應；2.只有當鐵磁體處於兩層超導體之間形成約瑟夫森結時，超導電性才會對磁化動力學產生巨大影響；3.當約瑟夫森結中插入絕緣層不再導通時，該效應會消失，預示著該效應是與超導電流有關。由於自旋單態的正常超導電流不會對局域磁矩的動力學產生明顯影響，因此，這一效應很可能來源於自旋三重態的超導電流產生的自旋轉移力矩對磁化動力學的巨大影響。

　　近年來，已有一些理論模型預測，在鐵磁性約瑟夫森結中，當鐵磁層的磁矩保持進動時，可以在鐵磁/超導界面產生自旋三重態庫珀對。孫陽等人的實驗結果可以定性地由這些理論模型來解釋，詳細的物理機制和定量的理解還有待於進一步深入研究。該工作首次觀察到超導/鐵磁異質結構中超導電性對磁化動力學的巨大影響和調控，為自旋三重態超導電流的存在和超導自旋電子學的發展提供了重要的實驗依據。

　　以上研究結果作為Express Letter發表於Chin. Phys. Lett. 35, 077401 (2018)。該工作得到了國家自然科學基金委項目（51725104，11534015）、科技部項目（2016YFA0300700）和中科院項目（XDB07030200）的資助。

　　文章連結

    圖1 （a）超導/鐵磁/超導約瑟夫森結和鐵磁共振示意圖。（b）Nb/ Ni80Fe20/Nb約瑟夫森結中超導層Nb的電阻隨溫度變化曲線。

    圖2 （a）Nb(100 nm)/Ni80Fe20(20 nm)/Nb(100 nm) 約瑟夫森結的鐵磁共振譜。（b）鐵磁共振場隨溫度的變化，在超導轉變溫度以下，共振場迅速朝低場移動。

圖3 一系列對比實驗。

圖4 超導/鐵磁/超導約瑟夫森結中三重態超導電流產生自旋轉移力矩的唯像模型。

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