L'interfaccia tra superconduttore (S) e ferromagnete (F) è un punto caldo nella fisica della materia condensata. L'accoppiamento interfacciale tra i due produce fenomeni fisici più interessanti. L'effetto magnetico vicino-vicino all'interfaccia S/F è causato dall'interazione di scambio tra gli spin degli elettroni su entrambi i lati dell'interfaccia, che porta alla soppressione dell'ordine magnetico o all'emergere di superconduttività non convenzionale. Quando un materiale magnetico è in stretta prossimità di un superconduttore, il campo magnetico entra in una regione di soli pochi nanometri all'interno del superconduttore e distrugge le coppie di Cooper, determinando cambiamenti spaziali nel comportamento superconduttore dell'interfaccia e influenzando le proprietà fisiche macroscopiche del materiale su entrambi i lati. Attualmente, la spintronica superconduttrice è diventata un campo emergente che svolge un ruolo importante nella realizzazione di tecnologie di archiviazione e logica di spin senza dissipazione.
Attualmente, il meccanismo sottostante all'effetto di prossimità magnetica all'interfaccia S/F in diversi sistemi di materiali è controverso. In precedenza, è stato osservato che la temperatura di transizione superconduttiva oscilla con lo spessore dello strato ferromagnetico nelle eterogiunzioni S/F composte da leghe metalliche, suggerendo che potrebbe esserci una modalità speciale di trasmissione delle onde di accoppiamento superconduttive in questo sistema a causa del forte campo di scambio. Con lo sviluppo di tecniche avanzate di preparazione di film sottili, i ricercatori hanno iniziato a studiare le eterointerfacce S/F di ossido monocristallino come l'interfaccia superconduttore ad alta temperatura (YBa2Cu3O7)/ferromagnete semimetallico polarizzato in spin (La1-xCaxMnO3). Si è scoperto che l'interfaccia ha un momento magnetico ridotto e l'antiparallelismo di spin degli ioni metallici di transizione su entrambi i lati dell'interfaccia, ed è influenzata dallo stato elettronico dello strato magnetico, dallo spessore dello strato S e dalla struttura del dominio non uniforme. Osservando la soppressione della temperatura di transizione superconduttiva, l'aumento della larghezza di transizione e le proprietà di spin-valvola nelle eterogiunzioni S/F, i ricercatori hanno scoperto che questo particolare tipo di interfaccia potrebbe essere utile nello sviluppo di dispositivi spintronici superconduttori.
Guo Erjia, ricercatore presso l'Istituto di fisica dell'Accademia cinese delle scienze, e Jin Kuijuan, accademico presso l'Accademia cinese delle scienze, hanno preparato eterogiunzioni Fe3N/VN su substrati di zaffiro utilizzando una tecnica di deposizione laser pulsata assistita da una sorgente atomica di azoto a radiofrequenza (RFN) e ne hanno caratterizzato le strutture. I profili di diffrazione dei raggi X hanno mostrato che sia i film Fe3N che VN crescevano lungo la<111>fase cristallina e aveva una buona qualità cristallina. I risultati della microscopia elettronica a scansione ad alta risoluzione mostrano che le interfacce tra il substrato di zaffiro e le eterogiunzioni e le eterogiunzioni sono caratterizzate da planarità a livello atomico, disposizione atomica ordinata e bassa miscelazione chimica. Questo studio ha utilizzato la caratterizzazione elettrica e magnetica a basse temperature per caratterizzare la resistenza e il momento magnetico delle eterogiunzioni Fe3N/VN in funzione della temperatura rispetto al campo magnetico. Si è scoperto che la temperatura di transizione superconduttiva dell'eterogiunzione Fe3N/VN diminuisce di circa 1,5 K e sia la lunghezza di coerenza Ginzburg-Landau che il range libero medio aumentano di circa il 20%, influenzati dal Fe3N ferromagnetico. Al di sotto del campo basso e della temperatura di transizione superconduttiva, il momento magnetico di saturazione, il campo coercitivo e il campo critico superconduttore dell'eterogiunzione Fe3N/VN aumentano, suggerendo che potrebbe esserci un momento magnetico netto introdotto dall'effetto vicino Fe3N nello strato interfacciale VN.
Inoltre, questo studio utilizza lo spettrometro a neutroni della China Scattered Neutron Source per misurare gli spettri di riflessione dei neutroni polarizzati delle eterogiunzioni Fe3N/VN. Viene mostrato che un momento magnetico netto di circa 60,3 ± 2,4 kA/m esiste nella regione di circa 5 nm vicino all'interfaccia nel film VN. Allo stesso tempo, la direzione di questo momento magnetico è allineata con la direzione del momento magnetico nei film sottili ferromagnetici. Si è scoperto che l'interfaccia di VN ha un momento magnetico netto solo quando il VN è nello stato superconduttore, come indicato dagli spettri di riflessione dei neutroni polarizzati con temperatura e campo magnetico variabili. Questa caratteristica magnetica interfacciale anomala è diversa dalla legge passata dell'allineamento di spin antiparallelo alle interfacce di ossido YBa2Cu3O7/La1-xCaxMnO3 e alle interfacce di lega. Si è scoperto tramite calcoli basati sui primi principi che l'interfaccia Fe3N/VN presenta fenomeni di ricostruzione orbitale d e trasferimento di carica interfacciale, così come gli spin tra ioni di metalli di transizione soddisfano l'accoppiamento di scambio diretto di Heisenberg e la costante di accoppiamento J è di circa 4,28 meV. Questo lavoro osserva l'effetto magnetico più vicino unico delle eterointerfacce superconduttrici/ferromagnetiche completamente in nitruro ed è utile per la costruzione di dispositivi spintronici superconduttori nel Il lavoro è stato determinante nella costruzione di dispositivi spintronici superconduttori, come valvole di spin a tripla supercorrente e giunzioni Josephson "π".
I risultati della ricerca correlata sono stati pubblicati su National Science Review con il titolo di Syntropic spin alignment at the interface between ferromagnetic and superconducting nitrides. Questo lavoro è stato supportato dal progetto speciale "Quantum Regulation and Quantum Information" del National Key Research and Development Program of China, dal Joint Fund for Regional Innovation and Development e dall'Original Exploration Program della National Natural Science Foundation of China, dallo Stable Support Program for Young Teams in Basic Research e dallo Special Assistantship Program della Chinese Academy of Sciences e dalla Postdoctoral Fellowship of China, tra gli altri.
