Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
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
Казань - 2012
Работа выполнена в лаборатории физики перспективных материалов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского КазН - РАН.
Научный консультант: 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 учреждение науки Институт физики металлов УрО РАН (г. Екатеринбург)
Защита состоится л 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 КазН - 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 КазН - РАН.
Автореферат разослан л 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Шакирзянов Масгут Мазитович
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, Джозефсоновская -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 (P) ориентации намагниченностей Ф слоев температура перехода в сверхпроводящее состояния TcAP должна быть больше, чем TcP для их параллельной (P) 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, [3Ц7]), в которых наблюдался эффект спинового клапана для систем Ф/С/Ф. Однако величина эффекта Tc = TcAP -TcP во всех экспериментальных работах была меньше ширины перехода конструкции в сверхпроводящее состояние Tc. 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 [Fe2V11]20. Выбор сверхрешетки [Fe2V11]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 Hsat = 6 кЭ, которое необходимо, чтобы в сверхрешетке перевести намагниченности слоев железа в параллельную ориентацию. В данном устройстве невозможно осуществить мгновенное переключение намагниченностей между AP и P 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 In и железо Fe, 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 Fe/Pb и Fe/In.
В соответствие с поставленной целью надо было решить следующие задачи:
1. Разработать технологию приготовления тонкопленочных гетероструктур CoOx /Fe1/Cu/Fe2/In 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 CoOx/Fe1/Cu/Fe2/In.
2. Впервые обнаружена осцилляционная зависимость с переменой знака величины эффекта сверхпроводящего спинового клапана от толщины ферромагнитного слоя Fe2 при фиксированных толщинах остальных слоев в составе исследуемых систем.
3. Обнаружена немонотонная зависимость температуры сверхпроводящего перехода Tc от толщины ферромагнитного слоя Fe2 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 CoOx/Fe/Cu/Fe2/In 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 гетероструктур, 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 CoOx/Fe1/Cu/Fe/In.
2. Обнаружение знакопеременной осцилляционной зависимости величины эффекта сверхпроводящего спинового клапана и осцилляционной зависимости температуры перехода в сверхпроводящее состояние от толщины слоя ферромагнетика Fe2.
3. Теоретическая интерпретация экспериментальных результатов на основе явления квантовой интерференции парных волновых функций.
ичный 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 УLow Temperature PhysicsФ (Kharkiv, 2011) (Отмечена в качестве лучшей в секции "Superconductivity"), The International Conference УSpin Physics, Spin Chemistry and Spin TechnologyФ (Kazan, 2011). Данная работа также была представлена в Форуме-олимпиаде по нанотехнологиям: УV Всероссийский Интеллектуальный Форум-олимпиада по нанотехнологиямФ (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 сверхпроводящего и ферромагнитных слоев выступает In и Fe, соответственно. Слой Cu является разделительным слоем. Для захвата намагниченности слоя Fe1 в заданном направлении, т. е. для формирования обменного смещения петли магнитого гистерезиса этого слоя, мы использовали СoOx с температурой Нееля TN близкой к комнатной температуре. Это означает, что в результате охлаждения образцов от комнатной температуры до температуры 4 К в магнитном поле 4 кЭ, приложенном вдоль легкой оси намагничивания, направленной в плоскости пленок, намагниченность слоя Fe1 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 7T 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 работе [1]. Полное переключение было достигнуто для системы CoOx/Fe1/Cu/Fe2/In.
В главе также определены основные сверхпроводящие параметры системы. Проведен сравнительный анализ данных между образцом сверхпроводящего спинового In In In С С С Fe Fe Fe ФФФCu Cu Cu Н Н Н ФФФFe Fe Fe АФ АФ АФ CoOx CoOx CoOx Подложка Подложка Подложка Рис. 1. Схематическое изображение образцов сверхпроводящего спинового клапана 1.+110 Э 0.0.0.-110 Э 0.0.1.45 1.46 1.47 1.T (K) Рис. 2. переключение между нормальным и сверхпроводящим состояниями в образце сверхпроводящего спинового клапана в процессе медленного охлаждения. Белые и черные кружки соответствуют параллельной (H0 = +100 Э) и антипараллельной (H0 = -100 Э) ориентации намагниченностей Fe1 и Fe2 слоев.
клапана CoOx/Fe1/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/Fe1/Cu/Fe2/In путем изменения взаимной ориентации намагниченностей слоев Fe1 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 R/R( 4K ) 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 CoOx/Fe1/Cu/Fe2/In при определенных толщинах сверхпроводящий слой In оказывается чувствителен к обоим Fe1 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 спиного клапана. Этот результат согласуется с теоретической моделью [1], которая основана на эффекте близости С/Ф. Результаты второй главы опубликованы в статье [A1].
В третьей главе изложены результаты по изучению структурных, магнитных и транспортных свойств системы CoOx/Fe1/Cu/Fe2/In сверхпроводящего спинового клапана модели Ф1/Ф2/С, предложенной группой проф. М. Р. Бисли (M.
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 Tc от толщины ферромагнтиного слоя Fe2 dF e2.
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 dF e2 2 нм удалось реализовать переключение сверхпроводящего тока путем манипуляции направлениями намагниченностей слоев Fe1 и Fe2. Обнаружена осцилляционная знакопеременная зависимость величины эффекта Tc от dF e2 (рис.
3). Для образцов с толщиной dF e2 < 1 нм был обнаружен прямой эффект сверхпроводящего спинового клапана Tc >0, а при толщине dF e2 1 нм в образцах ----0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 5.dFe2 (нм) Рис. 3. Зависимость величины эффекта сверхпроводящего спинового клапана Tc от толщины dF e2 слоя Fe2 при переключающем магнитном поле H0 = 110 Э. Сплошной линией изображена теоретическая кривая, представляющая собой зависимость [W (0) - W ()]/W (0) от толщины слоя Ф2 в системе Ф1/Ф2/С (см. работу Fominov et al. [10]), нормированная к представленным экспериментальным данным.
наблюдался УобратныйФ эффект Tc <0.
При проведении дальнейших исследований было установлено, что в данной серии образцов зависимость самой температуры перехода в сверхпроводящее состояние Tc от толщины dF e2 тоже обладает осцилляционным характером (рис.
4).
Анализ зависимости Tc(dF e2) 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 Tc(dF e2). 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 величины эффекта сверхпроводящего спинового клапана от толщиные ферромагнитного слоя Fe2 наблюдается впервые. Во-вторых, для ряда образцов удалось получить полное переключение между сверхпроводящим и резистивным состояниями благоTc ( мК ) 3.3.100 200 300 42.dIn (нм) Макс.
2.Мин.
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 5.dFe2 (нм) Рис. 4. Зависимость температуры перехода в сверхпроводящее состояние Tc от толщины dF eслоя Fe2 для системы сверхпроводящего спинового клапана CoOx/Fe1/Cu/Fe2/In с фиксированной толщиной слоя индия dIn= 230 нм. На вставке представлена зависимость Tc от толщины dIn для набора образцов с фиксированной толщиной слоя железа dF e2 = 3 нм. Теоретические расчеты, проведенные при помощи модели [11], изображены сплошными линиями.
даря УобратномуФ эффекту сверхпроводящего спинового клапана. В-третьих, обнаружена немонотонная зависимость температуры перехода в сверхпроводящее состояние от толщины ферромагнитного слоя Fe2 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 Tc(dF e2) и Tc(dF e2), оказались очень близки друг другу. Это свидетельствует в пользу того, что механизмом наблюдаемых явлений выступает эффект близости С/Ф. А именно, осцилляции зависимостей Tc(dF e2) и Tc(dF e2) вызваны квантовой интерференцией парных волновых функций, отраженных от обеих границ слоя Fe2. Результаты третьей главы опубликованы в статьях [A2, A3].
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 c T ( К ) c T ( К ) тонкопленочной системе CoOx/Fe1/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 Tc = TcAP - TcP и температуры перехода в сверхпроводящее состояние Tc при изменении толщины слоя In и Fe2.
В результате была получена знакопеременная осцилляционная зависимость величины эффекта Tc от толщины слоя ферромагнетика Fe2. Это явление наблюдается впервые. Также обнаружена осцилляционная зависимость Tc(dF e2).
3. Теоретическая интерпретация зависимостей Tc(dF e2), Tc(dF e2) 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. Ч 1997. Ч Vol. 71, № 16. Ч P. 2376Ц2378.
2. Tagirov, L. R. Low-Field Supercodnucting Spin Switch Based on a Superconductor/Ferromagnet Multilayer / L. R. Tagirov // Phys. Rev. Lett. Ч 1999. Ч Vol. 83, № 10. Ч P. 2058Ц2061.
3. Magnetization-Orientation Dependence of the Superconducting Transition Temperature in the Ferromagnet-Superconductor-Ferromagnet System: CuNi/Nb/CuNi / J. Gu, C.-Y. You, J. S. Jiang et al. // Phys. Rev. Lett. Ч 2002. Ч Vol. 89, № 26. Ч P. 1Ц4.
4. Potenza, A. Superconductor-ferromagnet CuNi/Nb/CuNi trilayers as superconducting spin-valve core structures / A. Potenza, C. Marrows // Phys. Rev. B. Ч 2005. Ч Vol. 71, № 18. Ч P. 25Ц28.
5. Moraru, I. C. Magnetization-Dependent Tc Shift in Ferromagnet/Superconductor/Ferromagnet Trilayers with a Strong Ferromagnet / I. C. Moraru, W. P. Pratt, N. O. Birge // Phys. Rev. Lett. Ч 2006. Ч Vol. 96, № 037004. Ч P. 1Ц4.
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. Ч 2008. Ч Vol. 101, № 137001. Ч P. 1Ц4.
7. Origin of the Inverse Spin Switch Effect in Superconducting Spin Valves / J. Zhu, X. Cheng, C. Boone, I. N. Krivorotov // Phys. Rev. Lett. Ч 2009. Ч Vol. 103, № 027004. Ч P. 1Ц4.
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. Ч 2005. Ч Vol. 95. Ч P. 097003.
9. Superconducting spin valves based on epitaxial Fe/V superlattices / G. Nowak, H. Zabel, K. Westerholt et al. // Phys. Rev. B. Ч 2008. Ч Vol. 78, № 13. Ч P. 134520.
10. Superconducting Triplet Spin Valve / Y. V. Fominov, A. A. Golubov, T. Y. Karminskaya et al. // JETP Letters. Ч 2010. Ч Vol. 91, № 6. Ч P. 308Ц313.
11. Tagirov, L. R. Proximity effect and superconducting transition temperature in superconductor/ferromagnet sandwiches / L. R. Tagirov // Physica C. Ч 1998. Ч Vol. 307. Ч P. 145Ц163.
Список публикаций A1. Full spin switch effect for the superconducting current in a superconductor/ferromagnet thin film heterostructure / P. V. Leksin, N. N. GarifТyanov, I. A. Garifullin et al. // Appl. Phys. Lett. Ч 2010. Ч Vol. 97, № 102505. Ч P. 1Ц3.
A2. Manifestation of New Interference Effects in a Superconductor-Ferromagnet Spin Valve / P. V. Leksin, N. N. GarifТyanov, I. A. Garifullin et al. // Phys. Rev. Lett. Ч 2011. Ч Vol. 106, № 067005. Ч P. 1Ц4.
A3. Physical properties of the superconducting spin-valve Fe/Cu/Fe/In heterostructure / P. V. Leksin, N. N. GarifТyanov, I. A. Garifullin et al. // Phys. Rev. B. Ч 2012. Ч Vol. 85, № 024502. Ч P. 1Ц11.