超伝導体（S）と強磁性体（F）の界面は、凝縮系物理学のホットスポットです。両者の界面結合により、より興味深い物理現象が生まれます。S/F界面における磁気近接効果は、界面の両側の電子スピン間の交換相互作用によって引き起こされ、磁気秩序の抑制や非従来型超伝導の出現につながります。磁性体が超伝導体に近接すると、磁場は超伝導体内の数ナノメートルの領域に入り、クーパー対を破壊します。その結果、界面の超伝導挙動に空間的な変化が生じ、両側の材料のマクロな物理的特性に影響を与えます。現在、超伝導スピントロニクスは、散逸のないスピンロジックおよびストレージ技術の実現に重要な役割を果たす新興分野となっています。
現在、異なる材料システムにおける S/F 界面における磁気近接効果の根底にあるメカニズムは議論の的となっている。これまで、金属合金からなる S/F ヘテロ接合では、超伝導転移温度が強磁性層の厚さに応じて振動することが観察されており、このシステムでは強い交換場により超伝導ペアリング波の特殊な伝送モードが存在する可能性があることを示唆している。高度な薄膜作製技術の開発により、研究者は高温超伝導体 (YBa2Cu3O7)/スピン分極半金属強磁性体 (La1-xCaxMnO3) 界面などの単結晶酸化物 S/F ヘテロ界面の研究を始めている。界面の磁気モーメントは減少し、界面の両側の遷移金属イオンのスピン反平行性があり、磁性層の電子状態、S 層の厚さ、および不均一なドメイン構造の影響を受けることがわかっている。 研究者らは、超伝導遷移温度の抑制、遷移幅の増大、および S/F ヘテロ接合におけるスピンバルブ特性を観察し、この特定のタイプのインターフェースが超伝導スピントロニクスデバイスの開発に有益である可能性があることを発見しました。
中国科学院物理研究所の研究員である郭二佳氏と中国科学院の院士である金奎娟氏は、高周波窒素（RFN）原子源を利用したパルスレーザー蒸着法を用いてサファイア基板上にFe3N/VNヘテロ接合を作製し、その構造を特徴づけた。X線回折プロファイルは、Fe3NとVNの両方の膜が<111>結晶相であり、良好な結晶品質を有していました。高解像度走査透過型電子顕微鏡の結果は、サファイア基板とヘテロ接合およびヘテロ接合間のインターフェースが、原子レベルの平坦性、整然とした原子配列、および低い化学混合を特徴としていることを示しています。この研究では、低温での電気的および磁気的特性評価を使用して、温度と磁場の関数として Fe3N/VN ヘテロ接合の抵抗と磁気モーメントを特徴付けました。強磁性 Fe3N の影響を受けて、Fe3N/VN ヘテロ接合の超伝導遷移温度が約 1.5 K 低下し、ギンツブルグ・ランダウ コヒーレンス長と平均自由範囲の両方が約 20% 増加することがわかりました。 低磁場および超伝導転移温度以下では、Fe3N/VNヘテロ接合の飽和磁気モーメント、保磁力、および超伝導臨界磁場が増加し、VN界面層におけるFe3N近傍効果によって導入された正味磁気モーメントが存在する可能性があることを示唆しています。
さらに、本研究では、中国散乱中性子源の中性子分光計を使用して、Fe3N / VNヘテロ接合の偏極中性子反射スペクトルを測定した。VN膜の界面近くの約5 nmの領域に約60.3 ± 2.4 kA / mの正味磁気モーメントが存在することが示された。同時に、この磁気モーメントの方向は、強磁性薄膜の磁気モーメントの方向と一致している。温度と磁場を変化させた偏極中性子反射スペクトルによって示されるように、VNの界面は、VNが超伝導状態にある場合にのみ正味磁気モーメントを持つことが判明した。この異常な界面磁気特性は、YBa2Cu3O7 / La1-xCaxMnO3酸化物界面および合金界面での過去の反平行スピン整列の法則とは異なります。 第一原理計算により、Fe3N/VN界面にはd軌道再構成と界面電荷移動現象があり、遷移金属イオン間のスピンはハイゼンベルク直接交換結合を満たし、結合定数Jは約4.28 meVであることがわかった。本研究は、全窒化物超伝導/強磁性ヘテロ界面のユニークな磁気最隣接効果を観測し、超伝導スピントロニクスデバイスの構築に役立つ。本研究は、三重超伝導スピンバルブや「π」ジョセフソン接合などの超伝導スピントロニクスデバイスの構築に役立ってきた。
関連研究成果は、「強磁性窒化物と超伝導窒化物との界面における共変スピン配列」というタイトルで『National Science Review』誌に掲載された。この研究は、中国国家重点研究開発計画の「量子制御と量子情報」特別プロジェクト、中国国家自然科学基金の地域革新発展共同基金と独創的探究計画、中国科学院の基礎研究若手チーム安定支援計画と特別助手計画、中国ポストドクターフェローシップなどの支援を受けて行われた。
