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

• Автор: Лексин, Павел Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 115 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Методика и техника эксперимента
1.1. Приготовление образцов
1.2. Измерения магнитных свойств методом SQUID магнитометрии
1.3. Определение легкой оси намагничивания методом ФМР
1.4. Измерение транспортных свойств
Глава 2. Наблюдение полного переключения сверхпроводящего тока в системе сверхпроводящего спинового клапана на основе Fe/In
2.1. Экспериментальные результаты
Глава 3. Интерференционные явления в системе сверхпроводящего спинового клапана на основе Fe/In
3.1. Описание образцов
3.2. Магнитные свойства
3.3. Эффект сверхпроводящего спинового клапана
3.4. Эффект близости С/Ф
3.5. Обсуждение
Заключение
Литература
Список публикаций автора

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 гетероструктур (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 иод 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 тт-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 У/Рфе* [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 Тсд 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 Гс5 сверхпроводящий слой становится ферромагнитно поляризованным. Намагниченность этого слоя антипараллельна по отношению к намагниченности Ф слоя. Физический механизм этого явления можно легко понять, исходя

тельности. Было установлено, что оптимальные скорости роста слоев Fe и Си составляют 0.03 нм/с и 0.04 нм/с, соответственно. Определение оптимальной скорости роста слоя In явилось более сложной задачей. С одной стороны, идея использовать In в качестве С слоя основывается на том, что In не образует соединений и сплавов с Fe, что должно приводить к атомарно четкой границе раздела между С и Ф слоями. С другой стороны, это приводит к островково-му росту пленки In на поверхности слоя Fe. И тем не менее, в результате был найден узкий диапазон значений скорости нанесения In, при которых остров-ковый рост отсутствует. На рис. 1.5 приведены снимки поверхностного In слоя для трех образцов, приготовленных с разными скоростями нанесения In слоя. Островкой рост пленки In характерен для образцов, приготовленных при скорости осаждения In < 2 нм/с (см. рис. 1.5(a) и (б)). Эти образцы обладают высоким электрическим сопротивлением и широкими переходами в сверхпроводящее состояние. В образцах, приготовленных со скоростью напыления In > 2 нм/с, островковый рост отсутствовал, и пленки In обладали высокой степенью качества и однородностью. При повышении скорости нанесения In до 3 нм/с мишень в ячейке электронно-лучевого испарителя начинала разбрызгиваться. Поэтому оптимальной скоростью осаждения In было выбрано значение 2.5 нм/с. Образцы не требовали дополнительного защитного слоя и проявляли стабильность всех параметров в атмосферной среде.
1.2. Измерения магнитных свойств методом SQUID магнитометрии.
Магнитные свойства образцов измерялись с помощью SQUID-магнито-метрии (Superconducting Quantum Interference Devise), поскольку этот метод обладает исключительно высокой чувствительностью и позволяет измерять намагниченность пленок с толщиной нескольких ангстрем [76]. В дан-