Эффект сверхпроводящего спинового клапана и его особенности в тонкопленочных структурах сверхпроводник/ферромагнетик тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

ъ

005017577

На правах рукописи_

Лексин Павел Владимирович

Эффект сверхпроводящего спинового клапана и его особенности в тонкопленочных структурах сверхпроводник/ферромагнетик

01.04.11 - физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 О

.и:-] у*

Казань - 2012

005017577

Работа выполнена в лаборатории физики перспективных материалов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор,

Гарифуллин Ильгиз Абдулсаматович

Официальные оппоненты: Рязанов Валерий Владимирович

доктор физико-математических наук, профессор, ИФТТ РАН, заведующий лабораторией

Прошин Юрий Николаевич

доктор физико-математических наук, профессор, Институт физики КФУ, заведующий кафедрой

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учрежде

ние науки Институт физики металлов УрО РАН (г. Екатеринбург)

Защита состоится 2012 г. в 1430 часов

на заседании диссертационного совета Д 002.191.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН по адресу: 420029, Казань, ул. Сибирский тракт, 10/7.

Отзывы на автореферат (два заверенных экземпляра) просим отправить по адресу: 420029, Казань, ул. Сибирский тракт, 10/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН.

Автореферат разослан « /¿> ъ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Шакирзянов Масгут Мазитович

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

Взаимодействие двух антагонистичных порядков, сверхпроводимости и ферромагнетизма, является предметом интенсивных исследований уже в течение последних 40 лет. Первоначально их взаимное влияние изучалось в сплавах и интерметаллических соединениях. Эта ветвь исследований до сих пор остается актуальной в физике сверхпроводимости. В связи с революционным скачком в технике приготовления высококачественных тонкопленочных металлических пленок и сверхрешеток в последнее время интерес сместился в область искусственно приготовленных многослойных гетероструктур. В тонкопленочных гетероструктурах сверхпроводник/ферромагнетик (С/Ф) были обнаружены такие новые физические эффекты, связанные с влиянием ферромагнетизма на сверхпроводящие свойства системы, как немонотонная зависимость температуры перехода в сверхпроводящее СОСТОЯНИе ОТ ТОЛЩИНЫ феррОМаГНИТНОГО СЛОЯ, ДжОЗефеОНОВСКаЯ 7Г-СВЯЗЬ

для систем С/Ф/С, эффект спинового экранирования и др. Разработанные теоретические модели указывают на то, что в тонкопленочных системах Ф1/Ф2/С [1] и Ф/С/Ф [2] возможно осуществить контролируемое полное включение и выключение сверхпроводящего тока благодаря эффекту близости С/Ф. Согласно расчетам [1, 2] для антипараллельной (Р) ориентации намагниченностей Ф слоев температура перехода в сверхпроводящее состояния должна быть больше, чем Тср для их параллельной (Р) ориентации. Это явление было названо эффектом сверхпроводящего спинового клапана. Интерес к данной области физики вызван не только фундаментальным значением данных исследований, но и возможным практическим применением для нужд спинтроники. Все это подчеркивает актуальность исследований в этом направлении. Было опубликовано несколько экспериментальных работ (см., например, [3-7]), в которых наблюдался эффект спинового клапана для систем Ф/С/Ф. Однако величина эффекта АТс = во всех экспериментальных работах была меньше ширины перехода конструкции

в сверхпроводящее состояние 5ТС. Ввиду этого полное переключение между сверхпроводящим и нормальным состояниями достигнуто так и не было.

Относительно недавно в работах [8] и [9] были получены данные, позволяющие утверждать, что конструкция Ф1/Ф2/С является более перспективной. Образцы представляли собой многослойную структуру из пленки ванадия V, находящегося в контакте со сверхрешеткой [РегУц^о- Выбор сверхрешетки [РегУц^о в качестве магнитной части образцов был обусловлен рядом технических преимуществ по сравнению с классической трехслойной схемой Ф/Н/Ф. При этом ее недостатком выступает высокое значение магнитного поля = 6 кЭ, которое необходимо, чтобы в сверхрешетке перевести намагниченности слоев железа в параллельную ориентацию. В данном устройстве невозможно осуществить мгновенное переключение намагниченностей между АР и Р ориентациями, поскольку переход между ними происходит плавно. Тем не менее, анализ температурной зависимости критического поля для данной системы показал, что потенциально величина эффекта сверхпроводящего спинового клапана может достигать значения 200 мК, при ширине перехода 100 мК.

Цель диссертационной работы заключалась в экспериментальной реализации полного эффекта сверхпроводящего спинового клапана и исследовании его особенностей в зависимости от параметров конструкции.

Выбор объекта исследования:

Исходя из сравнения данных, полученных для обеих предложенных конструкций [1, 2], основным объектом исследования в рамках данной работы была выбрана конструкция клапана Ф1/Ф2/С [1], поскольку она представлялась наиболее перспективной для экспериментальной реализации сверхпроводящего спинового клапана. В качестве слоев сверхпроводника и ферромагнетиков использовались индий 1п и железо Ре, соответственно. Важную роль в эффекте близости играет качество границы раздела С/Ф. А именно, низкая шероховатость и отсутсвие диффузного и интерметаллического слоев, образованных веществами соответствующих пленок. К таким сочетаниям металлов относятся Ре/РЬ и Ре/1п.

В соответствие с поставленной целью надо было решить следующие задачи:

1. Разработать технологию приготовления тонкопленочных гетероструктур СоОг /Ре1/Си/Ре2/1п с контролируемыми и воспроизводимыми свойствами.

2. Используя схему образцов Ф1/Ф2/С, создать оптимальный вариант сверхпроводящего спинового клапана, в котором возможно полное переключение между нормальным и сверхпроводящим состоянием.

3. Исследовать особенности эффекта сверхпроводящего спинового клапана при вариации толщин сверхпроводящего С слоя и промежуточного слоя ферромагнетика Ф2.

4. Установить механизмы, определяющие эффект спинового клапана для сверхпроводящего тока, и провести теоретический анализ полученных результатов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые получено полное переключение между сверхпроводящим и нормальным состояниями в системе сверхпроводящего спинового клапана модели Ф1/Ф2/С [1]. Экспериментальная реализация данного эффекта выполнена для тонкопленочной гетероструктуры СоОт/Ге1/Си/Те2/1п.

2. Впервые обнаружена осцилляционная зависимость с переменой знака величины эффекта сверхпроводящего спинового клапана от толщины ферромагнитного слоя Ре2 при фиксированных толщинах остальных слоев в составе исследуемых систем.

3. Обнаружена немонотонная зависимость температуры сверхпроводящего перехода Тс от толщины ферромагнитного слоя Ре2 при фиксированных толщинах остальных слоев в составе исследуемых систем.

4. На основе анализа экспериментальных данных с использованием современных теорий эффекта близости установлено, что наиболее вероятным физическим механизмом осцилляционных зависимостей является квантовая интерференция парных волновых функций на границе раздела Ф2/С.

Научная и практическая значимость:

1. Экспериментально показано, что эффект близости С/Ф в системе СоОг/Ре1 /Си/¥е2/1п позволяет осуществлять полное контролируемое переключение сверхпроводящего тока.

2. Теоретическая интерпретация экспериментальных результатов позволила установить роль механизма квантовой интерференции парных волновых функций в исследуемой системе.

3. Полученные результаты могут лечь в основу конструирования сверхпроводящего спинового клапана с более высокими сверхпроводящими параметрами, а также могут служить новой ступенью в понимании физики взаимного влияния сверхпроводимости и ферромагнетизма.

Достоверность результатов работы определяется комплексным характером выполненных экспериментальных исследований, использованием современного оборудования для регистрации толщин, магнитных и транспортных свойств образцов, а также использованием оптимальной методики изготовления гетерострук-тур, воспроизводимостью экспериментальных результатов и анализом полученных данных на основане современных теоретических моделей.

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

1. Экспериментальная реализация полного эффекта сверхпроводящего спинового клапана модели Ф1/Ф2/С в тонкопленочной системе СоОх/Ре1/Си/Ре2 /1п.

2. Обнаружение знакопеременной осцилляционной зависимости величины эффекта сверхпроводящего спинового клапана и осцилляционной зависимости температуры перехода в сверхпроводящее состояние от толщины слоя ферромагнетика Ге2.

3. Теоретическая интерпретация экспериментальных результатов на основе явления квантовой интерференции парных волновых функций.

Личный вклад автора: Подбор оптимальных режимов приготовления образцов и их первичная характеризация; проведение ФМР измерений для установления легкой оси намагничивания; исследование магнитных свойств образцов при помощи метода SQUID магнитометрии; исследование сверхпроводящих свойств образцов при помощи четырехконтактного метода; обработка, анализ и интерпретация экспериментальных данных на основе современных теоретических моделей; участие в написании, оформлении и подготовке статей в печать.

Апробация работы: Основные результаты данной работы были представлены на следующих научных конференция: II International Conference for Young Scientists "Low Temperature Physics" (Kharkiv, 2011) (Отмечена в качестве лучшей в секции "Superconductivity"), The International Conference "Spin Physics, Spin Chemistry and Spin Technology" (Kazan, 2011). Данная работа также была представлена в Форуме-олимпиаде по нанотехнологиям: "V Всероссийский Интеллектуальный Форум-олимпиада по нанотехнологиям" (Москва, 2011) и была признана одной из лучших работ.

Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 3 статьях в рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК, а также в материалах и тезисах вышеперечисленных конференций.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка авторской литературы и списка цитируемой литературы, содержащего 106 наименований. Работа изложена на 115 страницах машинописного текста, включая 28 рисунков и 4 таблицы.

Содержание работы

Во введении дан краткий обзор современного состояния проблемы, обозначена актуальность работы, изложена научная и практическая значимость, сформулированы цели и задачи исследований, а также выбран объект исследований. Структура образцов схематически изображена на рис. 1. В качестве сверхпро-

водящего и ферромагнитных слоев выступает In и Fe, соответственно. Слой Си является разделительным слоем. Для захвата намагниченности слоя Fei в заданном направлении, т. е. для формирования обменного смещения петли магнитого гистерезиса этого слоя, мы использовали СоОг с температурой Нееля Тц близкой к комнатной температуре. Это означает, что в результате охлаждения образцов от комнатной температуры до температуры 4Kb магнитном поле 4 кЭ, приложенном вдоль легкой оси намагничивания, направленной в плоскости пленок, намагниченность слоя Fei будет зафиксирована. После процедуры охлаждения намагниченность слоя Fe2 можно изменять в плоскости пленок слабым внешним магнитным полем. Таким образом реализуются параллельная и антипараллельная ориентации намагниченностей в образцах сверхпроводящего спинового клапана.

В первой главе описана методика эксперимента и аппаратура, которая использовалась в работе для приготовления образцов и измерения их параметров. Начало главы посвящено описанию установки молекулярно-лучевого эпитаксии, которая использовалась для приготовления тонкопленочных образцов. Приводятся результаты по оптимизации режимов напыления материалов. Описывается метод SQUID-магнитометрии и соответсвующей установки 7Т VSM SQUID фирмы Quantum design, которая применялась для исследования магнитных свойств образцов. Приведены экспериментальные результаты по изучения эффекта обменного смещения петель магнитного гистерезиса в технических образцах. Излагается метод ферромагнитного резонанса, который применялся для установления осей легкого намагничивания слоев железа, входящих в структуру образцов. В конце главы приводится описание установки для исследования транспортных свойств, а также излагается метод расчета сверхпроводящей длины когерентности и длины свобоного пробега по величине остаточного сопротивлению RRR.

Вторая глава посвящена результатам наблюдения полного включения и выключения сверхпроводимости для образцов сверхпроводящего спинового клапана конструкции Ф1/Ф2/С, модель которого была теоретически разработана в 1997 в

«н Ф2

H

Ф1

АФ

Подложка

In

Fe Си

Fe

CoOv

Рис. 1. Схематическое изображение образцов сверхпроводящего спинового клапана

1.45

1.47

1.48

1.46 Т (К)

Рис. 2. переключение между нормальным и сверхпроводящим состояниями в образце сверхпроводящего спинового клапана в процессе медленного охлаждения. Белые и черные кружки соответствуют параллельной (Я0 = +100 Э) и антипараллелыюй (Я0 = -100 Э) ориентации намагниченностей Fei и Fe2 слоев.

работе [1]. Полное переключение было достигнуто для системы СоОх/Ре1/Си/Ре2/1п. В главе также определены основные сверхпроводящие параметры системы. Проведен сравнительный анализ данных между образцом сверхпроводящего спинового клапана CoOx/Fel/Cu/Fe2/In, образцом одиночной пленки индия In и опорным образцом Cu/Fe2/In, в котором присутствует только один слой железа Fe2. В качестве основного результата приведены данные о включении и выключении сверхпроводящего тока в системе CoOx/Fel/Cu/Fe2/In путем изменения взаимной ориентации намагниченностей слоев Fei и Fe2 (см. рис. 2). На основании результатов, полученных на этом этапе работы, были сделаны следующие выводы.

Во-первых, было обнаружено, что эффект сверхпроводящего спинового клапана отсутствует в опорном образце, который представляет собой двухслойную систему Fe/In. Эти данные свидетельствует в пользу того, что дальнейшие результаты не являются следствием неточности эксперимента (или каких либо еще причин) и обусловлены исключительно эффектом сверхпроводящего спинового клапана. Во-вторых, было установлено, что в образца сверхпроводяшего спинового клапана CoOI/Fel/Cu/Fe2/In при определенных толщинах сверхпроводящий слой In оказывается чувствителен к обоим Fei и Fe2 слоям ферромагнетика. В-третьих, в рамках данной работы было впервые осуществлено полное переключение между нормальным и сверхпроводящим состояниями при изменении взаимной ориентации намагниченностей ферромагнитных слоев в системе сверхпроводящего спи-ного клапана. Этот результат согласуется с теоретической моделью [1], которая основана на эффекте близости С/Ф. Результаты второй главы опубликованы в статье [А1].

В третьей главе изложены результаты по изучению структурных, магнитных и транспортных свойств системы СоОх/Ре1/Си/Ре2/1п сверхпроводящего спинового клапана модели Ф1/Ф2/С, предложенной группой проф. М. Р. Висли (М. R. Beasley) [1]. В Главе 2 к данной работе подробным образом изложены основные результаты по наблюдению полного переключения сверхпроводящего тока, достигнутого в этой системе. Данная глава выступает логическим продолжением этих исследований. Основная ее задача заключается в изучении особенностей поведения величины эффекта сверхпроводящего спинового клапана АТС от толщины ферромагнтиного слоя Fe2 djre2.

Глава содержит в себе результаты магнитных и транспортных измерений серии образцов с варьируемой толщиной слоя Fe2. Установлена взаимосвязь между магнитным состоянием и параметрами сверхпроводящих переходов системы, измеренных по сопротивлению. Для ряда образцов из данной серии с толщиной drei < 2 нм удалось реализовать переключение сверхпроводящего тока путем манипуляции направлениями намагниченностей слоев Fei и Fe2. Обнаружена ос-

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 5.2 ^(нм)

Рис. 3. Зависимость величины эффекта сверхпроводящего спинового клапана АТС от толщины слоя Ре2 при переключающем магнитном поле Но = ±110 Э. Сплошной линией изображена теоретическая кривая, представляющая собой зависимость [И'(О) - И^(тг)]/Ж(0) от толщины слоя Ф2 в системе Ф1/Ф2/С (см. работу Котшоу ег а.1. ¡10}), нормированная к представленным экспериментальным данным.

цилляционная знакопеременная зависимость величины эффекта АТС от (рис.

3). Для образцов с толщиной < 1 нм был обнаружен прямой эффект сверхпроводящего спинового клапана ДТС >0, а при толщине йре2 > 1 нм в образцах наблюдался "обратный" эффект АТС <0.

При проведении дальнейших исследований было установлено, что в данной серии образцов зависимость самой температуры перехода в сверхпроводящее состояние Тс от толщины а^е2 тоже обладает осцилляционным характером (рис.

4).

Анализ зависимости Тс(йре2) при помощи теоретической модели ¡11] позволил определить набор микроскопических параметров исследуемой системы. Используя эти параметры в современной теоретической модели [10], удалось описать осцилляционную знакопеременную зависимость эффекта сверхпроводящего спинового клапана АТс(с1рег)- Глава также содержит описание двух теоретических моделей [10, 11] и их модификации, которые использовались для анализа экспериментальных данных. В конце главы изложены основные выводы, сделанные на основе полученных результатов. Во-первых, осцилляционная зависимость величи-

Рис. 4. Зависимость температуры перехода в сверхпроводящее состояние Тс от толщины с^е2 слоя Ре2 для системы сверхпроводящего спинового клапана СоОх/Ре^Си/РегДп с фиксированной толщиной слоя индия с11п= 230 нм. На вставке представлена зависимость Тс от толщины <1,п для набора образцов с фиксированной толщиной слоя железа = 3 нм. Теоретические расчеты, проведенные при помощи модели [11], изображены сплошными линиями.

ны эффекта сверхпроводящего спинового клапана от толщиные ферромагнитного слоя Ре2 наблюдается впервые. Во-вторых, для ряда образцов удалось получить полное переключение между сверхпроводящим и резистивным состояниями благодаря "обратному" эффекту сверхпроводящего спинового клапана. В-третьих, обнаружена немонотонная зависимость температуры перехода в сверхпроводящее состояние от толщины ферромагнитного слоя Ре2 при фиксированных толщинах остальных слоев в составе исследуемых структур. В-четвертых, обе экспериментальные зависимости удалось описать двумя отличающимися друг от друга теоретическими моделями, основанными на эффекте близости С/Ф. Два набора параметров, полученных в результате анализа ДТЦс^) и Тс(йРе2), оказались очень близки друг другу. Это свидетельствует в пользу того, что механизмом наблюдаемых явлений выступает эффект близости С/Ф. А именно, осцилляции зависимостей АТс{6ре2) и Тс(йре2) вызваны квантовой интерференцией парных волновых функций, отраженных от обеих границ слоя Ре2. Результаты третьей главы опубликованы в статьях [А2, АЗ].

В Заключении сформулированы выводы и перечислены основные результаты исследований:

1. Впервые экспериментально реализован сверхпроводящий спиновый клапан, модель которого была предложена стенфордской группой [1] Ф1/Ф2/С. В тонкопленочной системе CoOa;/Fel/Cu/Fe2/In получено полное переключение между сверхпроводящим и нормальным состояниями путем изменения взаимной ориентации намагниченностей слоев Ф1 и Ф2.

2. Проведены исследования особенностей поведения величины эффекта сверхпроводящего спинового клапана АТС = ТСАР — Тср и температуры перехода в сверхпроводящее состояние Тс при изменении толщины слоя In и Fe2. В результате была получена знакопеременная осцилляционная зависимость величины эффекта АТс от толщины слоя ферромагнетика Fe2. Это явление наблюдается впервые. Также обнаружена осцилляционная зависимость Tc(dFe 2).

3. Теоретическая интерпретация зависимостей ATc(df-e2), Tc(dpe2) и анализ магнитных и транспортных свойств показали, что наиболее вероятным физическим механизмом выступает квантовая интерференция парных волновых функций на границе раздела Ф2/С.

Цитируемая литература

1. Oh, S. A superconductive magnetoresistive memory element using controlled exchange interaction / S. Oh, D. Youm, M. R. Beasley // Appl. Phys. Lett. 1997. Vol. 71, № 16.- P. 2376-2378.

2. Tagirov, L. R. Low-Field Supercodnucting Spin Switch Based on a Superconduc-tor/Ferromagnet Multilayer / L. R. Tagirov // Phys. Rev. Lett. — 1999. — Vol. 83, № 10. - P. 2058-2061.

3. Magnetization-Orientation Dependence of the Superconducting Transition Temperature in the Ferromagnet-Superconductor-Ferromagnet System: Cu-Ni/Nb/CuNi / J. Gu, C.-Y. You, J. S. Jiang et al. // Phys. Rev. Lett. - 2002. -Vol. 89, № 26. - P. 1-4.

4. Potenza, A. Superconductor-ferromagnet CuNi/Nb/CuNi trilayers as superconducting spin-valve core structures / A. Potenza, C. Marrows // Phys. Rev. B. 2005. Vol. 71, № 18. P. 25 28.

5. Moraru, I. C. Magnetization-Dependent Tc Shift in Ferromag-net/Superconductor/Ferromagnet Trilayers with a Strong Ferromagnet / I. C. Moraru, W. P. Pratt, N. O. Birge // Phys. Rev. Lett. - 2006. - Vol. 96, № 037004. - P. 1-4.

6. Miao, G.-X. Infinite Magnetoresistance from the Spin Dependent Proximity Effect in Symmetry Driven bcc-Fe/V/Fe Heteroepitaxial Superconducting Spin Valves /

G.-X. Miao, A. V. Ramos, J. Moodera // Phys. Rev. Lett. — 2008. — Vol. 101, № 137001. - P. 1-4.

7. Origin of the Inverse Spin Switch Effect in Superconducting Spin Valves / J. Zhu, X. Cheng, C. Boone, I. N. Krivorotov // Phys. Rev. Lett. — 2009. — Vol. 103, № 027004. - P. 1^1.

8. Superconducting Spin Valve Effect of a V Layer Coupled to an Antiferromagnetic [Fe/V] Superlattice / K. Westerholt, D. Sprungmann, H. Zabel et al. // Phys. Rev. Lett. - 2005. - Vol. 95. - P. 097003.

9. Superconducting spin valves based on epitaxial Fe/V superlattices / G. Nowak,

H. Zabel, K. Westerholt et al. // Phys. Rev. B.- 2008.- Vol. 78, № 13.-P. 134520.

10. Superconducting Triplet Spin Valve / Y. V. Fominov, A. A. Golubov, T. Y. Karminskaya et al. // JETP Letters. - 2010. - Vol. 91, № 6. - P. 308-313.

14

11. Tagirov, L. R. Proximity effect and superconducting transition temperature in superconductor/ferromagnet sandwiches / L. R. Tagirov // Physica C. — 1998. — Vol. 307. - P. 145-163.

Список публикаций

Al. Full spin switch effect for the superconducting current in a superconductor/ferromagnet thin film heterostructure / P. V. Leksin, N. N. Garif'yanov, I. A. Garifullin et al. // Appl. Phys. Lett. - 2010. - Vol. 97, № 102505. - P. 1-3.

A2. Manifestation of New Interference Effects in a Superconductor-Ferromagnet Spin Valve / P. V. Leksin, N. N. Garif'yanov, I. A. Garifullin et al. // Phys. Rev. Lett. —

2011. Vol. 106, № 067005. P. 1 4.

A3. Physical properties of the superconducting spin-valve Fe/Cu/Fe/In heterostructure /' P. V. Leksin, N. N. Garif'yanov, I. A. Garifullin et al. // Phys. Rev. В.—

2012. - Vol. 85, № 024502. - P. 1-11.

Отпечатано в ООО «Печатный двор», г. Казань, ул. Журналистов, 2А, оф.022

Тел: 295-30-36, 541-76-41, 541-76-51. Лицензия ПДМ7-0215 от 01.11.2001 г. Выдана Поволжским межрегиональным территориальным управлением МПТР РФ. Подписано в печать 13.04.2012 г. Печ.л.1,0 Заказ Л» К-7140. Тираж 100 экз. Формат 60x841/16. Бумага офсетная. Печать -ризография.

61 12-1/1010

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского Казанского научного центра Российской академии наук

На правах рукописи

Лексин Павел Владимирович

Эффект сверхпроводящего спинового клапана и его особенности в тонкопленочных структурах сверхпроводник/ферромагнетик

01.04.11 - физика магнитных явлений

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор Гарифуллин И. А.

Казань - 2012

Содержание

Введение ................................... 3

Глава 1. Методика и техника эксперимента............27

1.1. Приготовление образцов ......................27

1.2. Измерения магнитных свойств методом SQUID магнитометрии. 35

1.3. Определение легкой оси намагничивания методом ФМР .... 41

1.4. Измерение транспортных свойств.................44

Глава 2. Наблюдение полного переключения сверхпроводящего тока в системе сверхпроводящего спинового клапана на основе Fe/In ...............................48

2.1. Экспериментальные результаты..................49

Глава 3. Интерференционные явления в системе сверхпроводящего спинового клапана на основе Fe/In.............63

3.1. Описание образцов .........................64

3.2. Магнитные свойства.........................67

3.3. Эффект сверхпроводящего спинового клапана..........69

3.4. Эффект близости С/Ф.......................91

3.5. Обсуждение.............................97

Заключение..................................101

Литература..................................102

Список публикаций автора........................115

Введение

Актуальность работы. Взаимодействие двух антагонистичных порядков, сверхпроводимости и ферромагнетизма, является предметом интенсивных исследований уже в течение последних 40 лет. Антагонизм возникает вследствие того, что ферромагнетизм предполагает параллельную ориентацию спинов, а сверхпроводимость - антипараллельную. Первоначально их взаимное влияние изучалось в сплавах и интерметаллических соединениях. Эта ветвь исследований до сих пор остается актуальной в физике сверхпроводимости (см., например, [1, 2] и обзор [3]). В связи с революционным скачком в технике приготовления высококачественных тонкопленочных металлических пленок и сверхрешеток (см., например, [4]) в последнее время интерес сместился в область искусственно приготовленных многослойных гетерострук-тур (см., например, обзоры [5-13]). Это связано с тем, что в таких многослойных структурах сверхпроводимость и ферромагнетизм пространственно разнесены. При этом наблюдаемые в этих системах эффекты, связанные с взаимным влиянием сверхпроводимости и ферромагнетизма, называют эффектом близости сверхпроводник/ферромагнетик (С/Ф). Обменное взаимодействие в ферромагнетике, действующее на спины электронов проводимости, как правило, намного превышает энергию связи электронов с антипараллельными спинами в составе куперовских пар. Это ведет к сильному разрушению купе-ровских пар под воздействием обменного взаимодействия. Вследствие этого куперовские пары способны проникать из С слоя в Ф слой лишь на очень малую глубину, которая часто ассоциируется с длинной когерентности куперовских пар в Ф слое Эта величина, к примеру, для чистого железа составляет значение порядка 1 нм (см., например, [14]). Однако влияние обменного поля на куперовские пары состоит не только в этом. Под действием обменного поля куперовские пары в ферромагнетике приобретают конечный

импульс. Ввиду этого амплитуда их волновой функции в Ф слое не только экспоненциально спадает, но и пространственно осциллирует [10, 11, 15]. Так, например, в тонкопленочных гетероструктурах С/Ф, были обнаружены такие новые физические эффекты, связанные с влиянием ферромагнетизма на сверхпроводящие свойства системы, как немонотонная зависимость температуры перехода в сверхпроводящее состояние Тс от толщины Ф слоя (см., например, [14, 16, 17]), Джозефсоновская 7г-связь для систем С/Ф/С (см., например, [18-20] и обзор [10]).

С другой стороны, было теоретически предсказано, что и сверхпроводимость может оказывать влияние на ферромагнтиный порядок в Ф слоях. В двухслойных С/Ф слоях при определенных условиях в Ф слое под воздействием сверхпроводящего С слоя может возникнуть доменное или так называемое криптоферромагнитное состояние [8, 21, 22]. Такое магнитное упорядочение оказывает не столь сильное деструктивное влияние на сверхпроводимость, как ферромагнетизм. Это связано с тем, что доменное состояние Ф слоя, при котором направление намагниченности меняется с периодом порядка длины когерентности куперовских пар [21]. Таким образом, на куперовские пары действует усредненное значение обменного поля. Это предположение было подтверждено экспериментально в системе V/Pdi-^Fea; [23]. Другим ярким примером влияния сверхпроводимости на ферромагнетизм в тонких пленках выступает эффект спинового экранирования или обратный эффект близости. В теоретических расчетах [24, 25] было показано, что для систем С/Ф при температурах ниже Tcs в С слое вблизи границы раздела С/Ф возникает спиновая поляризация с направлением, которое противоположно направлению намагниченности Ф слоя. Это приводит к тому, что при температуре ниже Tcs сверхпроводящий слой становится ферромагнитно поляризованным. Намагниченность этого слоя антипараллельна по отношению к намагниченности Ф слоя. Физический механизм этого явления можно легко понять, исходя

из следующих соображений. Рассмотрим двухслойную систему С/Ф с толщиной слоя ферромагнетика порядка длины когерентности куперовских пар в Ф слое Обменное взаимодействие поляризует спины электронов проводимости в Ф слое преимущественно в одном направлении. Если один из электронов в куперовской паре находится в Ф слое, то его спин оказывается поляризован вдоль направления, заданного направлением намагниченности ферромагнетика. При этом, спин второго куперовского электрона, который расположен в С слое, ориентируется против данного направления, ввиду условия антипараллельности спинов электронов, связанных в куперовскую пару. Таким образом, в С слое возникает поляризация спинов электронов проводимости с направлением, противоположным намагниченности Ф слоя. Глубина проникновения спиновой поляризации в С слой определяется длиной когерентности куперовских пар в С слое £5. Экспериментальное подтверждение этого явления было получено относительно недавно в системах Рс11_а;Ге2;/У/Р(11_хГеа; и Ш/У/М [26, 27].

Благодаря интенсивным экспериментальным исследованиям, было достигнуто достаточно хорошее понимание физики процессов взаимодействия сверхпроводимости и ферромагнетизма. Для дальнейшего обсуждения необходимо привести краткое описание основ сверхпроводимости и ферромагнетизма.

Микроскопическое объяснение явления сверхпроводимости было дано в рамках теории Дж. Бардина, Л. Купера и Дж. Шриффера [28]. Эта теория основывается на ключевом понятии куперовской пары, существование которой обусловлено притяжением между двумя электронами, обладающими равными и противоположными по направлению импульсами и антипараллельными спинами. Электронами, образующие куперовскую пару, являются электроны проводимости с энергиями, близкими к уровню Ферми. Притяжение между электронами обусловлено электрон-фононным взаимодействием [29, 30], кото-

рое при определенных условиях может превысить кулоновское отталкивание между электронами и связать их в квазичастицу с нулевым спином и нулевым суммарным импульсом. Электроны в сверхпроводнике разнесены на микроспопически большое расстояние порядка сверхпроводящей длины когерентности Величина зависит от материала. Так для олова и свинца эта величина составляет £5 тысячу ангстрем, а для высокотемпературных сверхпроводников £s ~ 50 А. Если импульсы или спины куперовских электронов направить в одну сторону, это приведет к разрушению куперовской пары и, соответственно, к подавлению сверхпроводимости. Согласно теории, энергия связи электронов в куперовской паре определяется выражением А = 1.75 • квТС) где кв - постоянная Больцмана, равная 1.38 • 10~16 эрг/К, Тс - температура перехода в сверхпроводящее состояние. Например, для индия температура перехода Тс ~ 3.4 К, что соответствует энергии связи приблизительно Ю-15 эрг.

В случае ферромагнетизма ситуация обстоит противоположным образом. Металлический ферромагнетик обладает кристаллической решеткой, в узлах которой находятся ионы с локализованными магнитными моментами (со спином 5), которые сонаправлены между собой. В кристаллической решетке присутствуют также делоклализованные электроны проводимости со спинами сг. Между локализованными спинами S и спинами электронов проводимости о действует обменное взаимодействие с энергией Н = —Jsd{Scr), где J8d - интеграл обменного взаимодействия. Оно стремится сориентировать спины электронов проводимости в одном направлении, которое определяется направлением спинов локализованных ионов и знаком обменного интеграла Js¿. Таким образом, в ферромагнитных металлах происходит поляризация спинов электронов проводимости, что ведет к расщеплению зоны проводимости на две подзоны со спином вверх и спинов вниз. В случае железа, это расщепление составляет величину порядка 1 эВ или 10~12 эрг. Это эквива-

лентно действию магнитного поля величиной Нех = JSd{Sz)/д^в ~ Ю8 Э, где (Sz) - среднее значение спина Sz, д - это g-фактор электронов проводимости, Ив - магнетон Бора. Стоит отметить, что данное поле не является реально существующим внутренним магнитным полем. Это воображаемое магнитное поле, которое действует только на спины электронов проводимости, не искажая их траекторию движения. Это замечание является важным моментом в понимании физических процессов, которые будут описаны ниже.

Из приведенных выше оценок очевидно, что энергия обменного Jsd взаимодействия между локализованными ионами и электронами проводимости превосходит примерно в тысячу раз энергию связи электронов в составе купо-рвских пар . Таким образом, в веществе, где действует обменное взаимодействие Jsd и присутствуют одновременно куперовские пары, должно происходить разрушение последних. Это связано с тем, что обменное взаимодействие стремится сориентировать спины электронов проводимости в одном направлении, что противоречит условию антипараллельности спинов электронов в составе куперовских пар. Вследствие этого сверхпроводимость в таких ферромагнитных металлах как Fe, Ni, Со и др. не наблюдается. В случае интерметаллических соединений это приводит к сильному подавлению сверхпроводимости ферромагнитным порядком [3]. В этой связи, удобным объектом исследования выступают тонкие пленки и гетероструктуры, в которых сверхпроводимость и ферромагнетизм пространственно разнесены.

В тонких пленках С/Ф эффект разрушения куперовских носит тот же механизм, что и в интерметаллических соединениях и сплавах при их переходе в ферромагнитное состояние (для парамагнитного состояния см. [31]). Отличие заключается в том, что ку перовские пары формируются в сверхпроводящем слое С и при определенных услових проникают в слой ферромагнетика Ф. Рассмотрим двухслойную структуру С/Ф в куперовском пределе, т. е. ситуацию, когда толщины слоев сверхпроводника ds и ферромагнетика

с1р меньше, чем соответсвующие длины когерентностей £5 и Это условие означает, что толщины обоих слоев задействованы в рассматриваемом процессе. Пусть граница раздела С/Ф обладает абсолютной прозрачностью для куперовских пар. Это условие позволяет записать выражение для эффективного обменного поля, усредненного по всему образцу при <1р « с1з:

ех ~ ё3 + <1Р ~ ех<1з [ )

Используя это уравнение, можно оценить толщину ферромагнитного слоя, при которой сверхпроводимость в образце будет полностью подавлена. На спины электронов в составе купровских пар действует эффективное обменное поле ЩН, в котором они приобретают зеемановскую энергию дцвЩ^ ■ Сверхпроводимость будет подавлена в том случае, когда эта энергия достигнет энергии связи в куперовских парах А:

А = д^вНЦ/ = д»вНех^ (2)

Например, рассмотрим случай, когда в качестве слоя ферромагнетика выступает железо Ее, а в качестве сверхпроводника ниобий или свинец. Для Ее величина д^вНех ~ Ю-12 эрг. Температура перехода в сверхпроводящее состояние для ниобия или свинца Тс ~ 10 К, что соответсвует А ~ 2 • 10""15 эрг. Из этого следует, что при толщине слоя железа ¿р ~ 2 • 10~3 -¿5 сверхпроводимость в такой системе будет полностью подавлена. Такая оценка показывает, что одного монослоя железа достаточно, чтобы подавить сверхпроводимость в слое ниобия или свинца толщиной 700 А. В действительности такого сильного подавления в подобных системах не наблюдается по следующим причинам.

С чем это связано? Во-первых, для некоторых мультислойных систем, в частности, для системы Ее/КЬ [32], на границе раздела между слоями Ее и 1% образуется промежуточный слой ввиду взаимной диффузии металлов. Таким образом, слой сверхпроводника не имеет прямого контакта с ферромагнети-

ком. Во-вторых, граница раздела С/Ф всегда обладает конечной квантово-механической прозрачностью для электронов проводимости. Это связано с тем, что электроны в составе куперовских пар, проникая в Ф слой, получают дополнительную энергию, связанную с расщеплением зоны проводимости в слое ферромагнетика Ф на две подзоны по спину. Этот случай эквивалентен классической задаче квантовой механики об отражении частицы от границы раздела двух сред с различными фермиевскими волновыми векторами [33]. И, наконец, в-третьих, зачастую отсутствует гибридизация зон проводимости Ф и С металлов, как, например, в системе Ре/РЬ [14]. Это означает, что уровни энергии зон проводимости этих металлов сильно отличаются между собой.

Исследования тонко пленочных гетероструктур С/Ф выявили еще одну интересную особенность эффекта близости сверхпроводник/ферромагнетик. Она заключается в осцилляционной зависимости температуры перехода в сверхпроводящее состояние с изменением толщины ферромагнитого слоя при фиксированной толщине слоя сверхпроводника. Выделяют следующие физические механизмы осцилляции Тс. Первый механизм связан с формированием на границе раздела С/Ф промежуточного диффузного слоя, свойства которого меняются с изменением толщины Ф слоя. Это ведет к немонотонной зависимости Тс от толщины Ф слоя [32, 34]. В приведенных работах были проведены подробные исследования трехслойной системы Ре/ЫЬ/Ре. Образцы были приготовлены методом радиочастотного распыления. В рассматриваемом случае наблюдалось немонотонное поведение Тс от толщины железа с1ре при различных неизменных толщинах ниобия (¿лг& (см- Рис- 1(а)). В результате детального анализа магнитных и сверхпроводящих свойств исследуемых образцов авторы пришли к выводу, что немонотонное поведение Тс невозможно объяснить реализацией 7г-связи, поскольку структура образцов предполагает использование лишь одного С слоя. С другой стороны, изме-

рения намагниченности для данных образцов (см. рис. 1(6)) показали, что на границе раздела ИЬ/Ре имеется "мертвый" в магнитном отношении слой железа с толщиной порядка 7 А. Подобный эффект наблюдался ранее и был описан в работе [35] по изучению сврехрешеток 1МЬ/Ре, приготовленных методом магнетронного напыления. В результате этих исследований было установлено, что на границах Ре/№> из-за взаимной диффузии образуется немагнитный несверхпроводящий слой Ре-]МЬ. Основное влияние на сверхпроводимость слоя МЬ оказывает именно этот промежуточный слой, в котором ионы железа находятся в немагнитном состоянии с сильными спиновыми флуктуа-циями вблизи перехода в магнитное состояние. С увеличением толщины слоя железа обменное поле, влияющие на промежуточный слой Ре-ИЬ, переводит ионы железа в ферромагнитное состояние. Это состояние подавляет сверхпроводимость слабее, чем состояние с развитыми спиновыми флуктуациями. Наличие промежуточного немагнитного и несверхпроводящего слоя на границе раздела С/Ф усложняет ситуацию и препятствует изучению эффекта близости С/Ф, описываемого в теоретических моделях.

Второй причиной выступает так называемая тг-связь в С/Ф/С структурах. Амплитуда волновой функции куперовских пар осциллирует в промежуточном Ф слое. Вследствие этого при определенной толщине ферромагнетика на границе раздела С/Ф и Ф/С волновая функиция куперовских пар может иметь разность фаз, равную 7г [18, 36-38]. Расчеты, приведенные в статье [36], показали, что в системах с 7г-связью температура перехода в сверхпроводящее состояние Тс может оказаться выше, чем в системе с нулевой разницей фаз (см. рис. 2). Третьей причиной осцилляции Тс является аналог состояния Ларкина-Овчинникова-Фульде-Феррелла (ЛОФФ) [39, 40]. Данная теоретическая модель был разработана для сверхпроводящих сред, в пределах которых действует обменное взаимодействие, и предсказыв