团队发现范德华铁磁体上的长程皮肤约瑟夫森超电流
在《自然通讯》上发表的一项研究中,中国科学院中国科学技术大学的向斌教授小组与中山大学的王志副教授合作,发现了横跨范德华铁磁体的远程皮肤约瑟夫森超电流。
他们桥接了两个自旋单重超导体NbSe2(S)通过构建范德华铁磁体金属Fe3格特2(F),并首次在约瑟夫森侧结(S/F/S)观察到长程超电流,表现出惊人的皮肤特征。
铁磁性和超导性是两种对立的宏观排序。当单线态超电流进入铁磁体时,将触发库珀对的快速退相干。
然而,在超导体/铁磁体界面附近感应的自旋三重态超电流能够在铁磁体中长距离传输而不会耗散能量,这在近年来已在理论和实验中得到证明。这为构建无耗散的量子器件提供了一种更理想的方法。
早期的研究集中在构建具有耦合体铁磁体的超导约瑟夫森结,以实现自旋三重态电流的观察以及自旋和电荷自由度的控制。然而,关于自旋三重态超电流的观测和基于二维(2D)范德华(vdW)材料异质结的界面性质的相关研究的报道很少。
研究人员通过桥接两个单线态vdW超导体NbSe来构建S/F/S的横向vdW Josephson结2带 vdW 铁磁体铁3格特2通过低温电学测试研究了不同结沟道长度的S/F/S的电性能。结果显示S/F/S的电阻为零,长距离约瑟夫森超电流(~300 nm)。
零温度超导临界电流随着通道长度的增加而衰减,当通道长度增加到450 nm时完全消失。
更有趣的是,长程超导临界电流对垂直于超电流通道的外部磁场的响应呈现出周期性振荡模式,类似于双缝干扰,而不是传统的弗劳恩霍夫周期振荡条纹。这一结果证实了S/F/S中存在具有长程皮肤特征的约瑟夫森超电流,这与常规大通道的约瑟夫森超导电流不同。
此外,研究人员提出了长程超电流皮肤特征的两种可能机制。一、Fe上镜对称性断裂引起的拉什巴自旋-轨道耦合3格特2表面,当与铁磁性和NbSe的S波超导相互作用时2,可能导致Fe上的二维拓扑超导3格特2表面。
二、Fe中Fe原子非共面结构引起的磁不均匀性3格特2通过自旋旋转和自旋混合促进自旋-单重态库珀对在表面向自旋-三重态对转变,进而形成长程约瑟夫森超电流。
非共面结构的S/F/S设计为探索铁磁性与超导性之间的相互作用提供了新的视角。这种非共面结构所呈现的新颖物理性质为新型量子功能器件在二维超导自旋电子学中的潜在应用和拓扑超导的实现提供了平台。
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