Das Team entdeckt Langstrecken-Haut-Josephson-Suprastrom über Van-der-Waals-Ferromagneten

In einer Studie veröffentlicht in Naturkommunikation, Prof. Xiang Bins Gruppe von der University of Science and Technology of China der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, in Zusammenarbeit mit Assoc. Prof. Wang Zhi von der Sun Yat-sen University entdeckte den Langstrecken-Haut-Josephson-Suprastrom über einem Van-der-Waals-Ferromagneten.

Sie überbrückten zwei Spin-Singulett-Supraleiter NbSe2 (S), indem sie das ferromagnetische Van-der-Waals-Metall Fe3GeTe2 (F) konstruierten, und beobachteten zum ersten Mal langreichweitigen Suprastrom im lateralen Josephson-Kontakt (S/F/S), was erstaunlich ist Hauteigenschaften.

Ferromagnetismus und Supraleitung sind zwei antagonistische makroskopische Ordnungen. Wenn der Singulett-Suprastrom in den Ferromagneten eintritt, wird eine schnelle Dekohärenz der Cooper-Paare ausgelöst.

Spin-Triplett-Supraströme, die in der Nähe von Supraleiter/Ferromagnet-Grenzflächen induziert werden, ermöglichen jedoch einen Transport ohne Energiedissipation über große Entfernungen in Ferromagneten, was in den letzten Jahren theoretisch und experimentell bewiesen wurde. Dies stellt ein wünschenswerteres Verfahren zum Konstruieren von Quantenvorrichtungen ohne Dissipation bereit.

Frühere Forschungen konzentrierten sich auf die Konstruktion von supraleitenden Josephson-Übergängen mit gekoppelten Bulk-Ferromagneten, um die Beobachtung von Spin-Triplett-Strömen und die Kontrolle von Spin- und Ladungsfreiheitsgraden zu erreichen. Es gibt jedoch nur wenige Berichte über die Beobachtung von Spin-Triplett-Supraströmen und damit zusammenhängende Untersuchungen von Grenzflächeneigenschaften basierend auf Heteroübergängen von zweidimensionalen (2D) Van-der-Waals-(vdW)-Materialien.

Die Forscher konstruierten laterale vdW-Josephson-Übergänge von S/F/S, indem sie zwei Singulett-vdW-Supraleiter NbSe2 mit dem vdW-Ferromagneten Fe3GeTe2 (F) überbrückten. Die elektrischen Eigenschaften des S/F/S mit unterschiedlichen Verbindungskanallängen wurden durch elektrische Niedertemperaturtests untersucht. Die Ergebnisse zeigten einen widerstandslosen Zustand des S/F/S und einen langreichweitigen Josephson-Suprastrom (~ 300 nm).

Der kritische Supraleitungsstrom bei Nulltemperatur neigt dazu, mit zunehmender Kanallänge abzuklingen und verschwindet vollständig, wenn die Kanallänge auf 450 nm zunimmt.

Interessanter ist, dass die Reaktion des langreichweitigen supraleitenden kritischen Stroms auf ein externes Magnetfeld senkrecht zum Suprastromkanal ein periodisches Schwingungsmuster zeigte, das einer Doppelspaltinterferenz ähnlich ist, und nicht den herkömmlichen periodischen Schwingungsstreifen von Fraunhofer. Dieses Ergebnis bestätigte die Existenz eines Josephson-Suprastroms mit einem langreichweitigen Skin-Merkmal in S/F/S, das sich von dem supraleitenden Josephson-Strom herkömmlicher Bulk-Kanäle unterscheidet.

Darüber hinaus schlugen die Forscher zwei mögliche Mechanismen für das Hautmerkmal des langreichweitigen Suprastroms vor. Erstens kann die durch die Spiegelsymmetriebrechung auf der Fe3GeTe2-Oberfläche induzierte Rashba-Spin-Bahn-Kopplung bei Wechselwirkung mit Ferromagnetismus und der S-Wellen-Supraleitung von NbSe2 zu topologischer 2D-Supraleitung auf der Fe3GeTe2-Oberfläche führen.

Zweitens fördert die magnetische Inhomogenität, die durch die nicht koplanare Struktur der Fe-Atome in Fe3GeTe2 verursacht wird, die Umwandlung von Spin-Singulett-Cooper-Paaren in Spin-Triplett-Paare an der Oberfläche durch Spin-Rotation und Spin-Mischen und bildet dann eine lange Reichweite Josephson-Superstrom.

Das S/F/S-Design der nicht koplanaren Struktur bietet eine neue Perspektive zur Erforschung der Wechselwirkung zwischen Ferromagnetismus und Supraleitung. Die neuartigen physikalischen Eigenschaften dieser nicht koplanaren Struktur bieten eine Plattform für potenzielle Anwendungen neuer Quantenfunktionsgeräte in der 2D-Supraleitungs-Spintronik und der Realisierung topologischer Supraleitung.