Физики МФТИ раскрыли скрытые эффекты в сверхпроводящих структурах с магнетиками

Когда тонкая пленка сверхпроводника контактирует с ферромагнетиком, часть сверхпроводящих электронных пар «просачивается» в магнитный материал — это прямой эффект близости. Одновременно свойства сверхпроводника меняются под влиянием магнетика: возникает обратный эффект близости. Он проявляется в двух формах: часть пар становится триплетными (спины электронов сонаправлены), а также возникает разница энергий между электронами с разными спинами, похожая на зеемановское расщепление.

Именно второе явление легло в основу так называемой «эффективной модели»: всю гетероструктуру сверхпроводник-ферромагнетик рассматривают как однородный сверхпроводник во внешнем эффективном обменном поле. Эта модель десятилетиями служила стандартом: она проста и позволяет предсказывать поведение системы. Считалось, что если в плотности состояний сверхпроводника нет расщепления когерентных пиков, то нет и эффекта близости, в том числе триплетных пар, важных для сверхпроводящей спинтроники.

Неожиданное открытие: проводящие ферромагнетики ведут себя иначе

Физики из МФТИ проанализировали баллистические тонкопленочные структуры сверхпроводник-ферромагнетик (S/F). Они сравнили системы с проводящими ферромагнетиками (S/FM) и с ферромагнитными изоляторами (S/FI). Оказалось, что для изоляторов классическая модель работает отлично: обратный эффект близости создает хорошо выраженное однородное спиновое расщепление. Но для проводящих ферромагнетиков картина принципиально иная.

В системах с проводящими магнетиками обратный эффект близости формирует спиновое расщепление, которое хаотически зависит от импульса и положения электрона, а его амплитуда непредсказуема. Интегральная плотность состояний не показывает видимого расщепления из-за усреднения разных вкладов. Это означает, что экспериментатор, видя «нерасщепленную» картину, может ошибочно заключить, что эффекта близости нет, хотя на самом деле триплетные корреляции существуют.

Реальные проявления скрытых эффектов

Чтобы подтвердить наличие скрытых триплетных пар, исследователи продемонстрировали эффект спинового вентиля: зависимость критической температуры сверхпроводника от взаимной ориентации намагниченностей двух ферромагнетиков, расположенных по обе стороны от него. Этот эффект наблюдался именно в системах с проводящими ферромагнетиками, где традиционная модель «не предсказывала» ничего.

Кроме того, ученые рассмотрели эффект близости с альтермагнетиками — новым классом магнитных материалов. Альтермагнетики не имеют суммарной намагниченности, но обладают спиновым расщеплением в зонной структуре. Физика оказалась аналогичной: для альтермагнитных изоляторов работает эффективная модель, а для проводящих — хаотическое поведение.

Заведующая лабораторией спиновых явлений в сверхпроводниковых наноструктурах и устройствах МФТИ Ирина Бобкова отметила: «Мы привыкли, что отсутствие расщепления когерентных пиков в туннельных измерениях означает отсутствие триплетных корреляций. Наша работа показывает, что для систем с металлическими магнитными слоями это правило не работает. Там может скрываться богатая физика».

Новая теоретическая основа открывает перспективы для дизайна сверхпроводящих устройств хранения и обработки информации, таких как джозефсоновские переходы и спиновые клапаны нового типа. Работа поддержана грантом РНФ №24-12-00152.