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AG Schichtstrukturen

Supraleitender Spin-Valve-Effekt in nanoskaligen Ferromagnet-Supraleiter-Schichtsystemen

Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) Zustand

Singlet Supraleitung und Ferromagnetismus können normalerweise nicht koexistieren, da die Supraleitung die Elektronenspins antiparallel bedingt, um Cooper Paare zu bilden, während der Ferromagnetismus die Elektronenspins parallel ausrichtet. Fulde-Ferell [1] und Larkin-Ovchinikov [2]  (FFLO) berechneten jedoch unabhängig voneinander, dass die Supraleitung auf einem ferromagnetischen Hintergrund existieren kann, aber nur mit einem von Null verschiedenen Impuls der Cooper Paare. Ein FFLO ähnlicher Zustand kann in Supraleiter (S) / Ferromagnet (F) Nanolagen erzeugt werden, welcher zu einer Fülle von neuen physikalischen Effekten führt, wie die Oszillation der supraleitende Übergangstemperatur mit zunehmender ferromagnetischer Schichtdicke oder die Auslöschung und der Wiedereintritt der Supraleitung durch Interferenz der Paarwellenfunktion (Abb. 1). Ein experimenteller Nachweis dieser Effekte ist in Abb. 2 zu sehen [3]. Solche Effekte treten auch in F/S/F Trilagen auf, die den Kern eines supraleitenden Spin-Valves bilden [4].

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Abb. 1: a), b) und c) Oszillation der Paarwellenfunktion Φ, d) Oszillation der supraleitende Übergangstemperatur Tc in einer Supraleiter (S) – Ferromagnet (F) Doppellage. Wegen der Reflektion der Paarwellenfunktion an der Oberfläche des Ferromagneten, interferiert sie mit sich selbst, was zu konstruktiver (b)) oder destruktiver (a) und c)) Interferenz, abhängig von der Schichtdicke dF des Ferromagneten, führt. Dadurch oszilliert die supraleitende Übergangstemperatur in Abhängigkeit von der Schichtdicke des Ferromagneten (d)).

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Abb. 2: Erster experimenteller Nachweis der Reentrant Superconductivity, d.h. des Wiedereintritts der Supraleitung bei höheren Schichtdicken nach vollständiger Auslöschung, in einer S/F Doppellage. Die durchgezogenen und gestrichelten Linien zeigen theoretische Verläufe für den „sauberen“ und „schmutzigen“ Fall der ferromagnetischen Schicht [3].

 

Singulett Spin-Valve

Basierend auf diesem Effekten lässt sich im Prinzip ein Spin-Valve realisieren. Hierzu wird ein Antiferromagnet-Ferromagnet-Supraleiter-Ferromagnet (AF-FSF) System (Abb. 3) untersucht, bei dem die eine ferromagnetische Schicht von dem Antiferromagneten in der Orientierung ihrer magnetischen Spins fixiert wird. Durch ein externes magnetisches Feld lassen sich nun unterschiedliche relative magnetische Orientierungen der beiden ferromagnetischen Schichten zueinander realisieren. Dadurch verändert sich die supraleitende Übergangstemperatur des Systems (Abb. 4). Für eine festgelegt Arbeitstemperatur, lässt sich so das System mittels eines externen magnetischen Feldes zwischen supraleitendem, und normalleitendem Zustand, umschalten [5].

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Abb. 3: Schematischer Aufbau einer AF-FSF Probenserie. Die einzelnen Proben werden entlang der gepunkteten Linien geschnitten.

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Abb. 4: Theoretische Berechnung der supraleitenden Übergangstemperatur Tc in einem Spin Valve des FSF-Typs. Die gestrichelte und gepunktete Linie zeigt jeweils das Verhalten von Tc als Funktion der Schichtdicke der ferromagnetischen Schichten für parallele und antiparallele Orientierung der Magnetisierungen. Die rote Linie zeigt die Differenz der beiden und somit die Größe des Spin Valve Effekts. [5]

 

Triplett Spin-Valve

Neben den oben beschriebenen Effekten lässt sich durch eine inhomogene Magnetisierung in Zusammenspiel mit einem FFLO-ähnlichen supraleitenden Zustand auch sogenannte s-Wellen Triplett Supraleitung erzeugen. Hierbei sind die Spins der Cooper Paare parallel und die Cooper Paare werden somit nicht im Ferromagneten durch die konkurrierenden Spin-Ordnungs-Mechanismen aufgebrochen. Dies führt zu einer langreichweitigen Triplett-Komponente in der Supraleitung. Diese tritt bei nicht-kollinearer Orientierung der Magnetisierungen von zwei ferromagnetischen Schichten auf. Dies kann dazu führen, dass sich ein Minimum der supraleitenden Übergangstemperatur bei Winkeln zwischen der parallelen und antiparallelen Orientierung ausbildet  (Triplett-Spin-Valve Effekt) [6]. Hierzu wird ein Supraleiter-Ferromagnet-Normalleiter (N) -Ferromagnet-Antiferromagnet (SF1-N-F2-AF) System (Abb. 5) untersucht. Die normalleitende (nc) Schicht, realisiert durch eine dünne normalleitende (nc) Nb Schicht, dient der wechselseitigen Entkopplung der beiden ferromagnetischen Schichten (F1, F2). Ein Vergleich der theoretischen Vorhersage mit experimentellen Ergebnissen ist in Abb. 6 gezeigt [7].

 

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Abb. 5: Schematischer Aufbau einer SF1NF2-AF Probenserie. Die einzelnen Proben werden entlang der gepunkteten Linien geschnitten.

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Abb. 6: (a) Winkelabhängigkeit der reduzierten supraleitenden Übergangstemperatur Tc/Tc0 entsprechend dem Modell in [6]; Tc0 ist die kritische Temperatur eines isolierten S-Films. (b) Die Abhängigkeit der supraleitenden Übergangstemperatur Tc vom angelegten Magnetfeld. Die Entsprechungen der magnetischen Orientierung der beiden F-Schichten sind in beiden Diagrammen durch die Piktogramme und die Nummerierung gegeben. Die Pfeile geben die Richtung an, in der das Magnetfeld verändert wurde. [7]

 

Aktuelle Untersuchungen

Aktuell wird das Auftreten von Triplet Supraleitung, sowie Memory Effekten (d.h. der Widerstand der Probe hängt von der magnetischen Vorgeschichte ab) aufgrund spezieller magnetischer Konfigurationen in Spin Valve Strukturen vom Typ AF/FSF untersucht [8]. Außerdem wird auch das grundlegende Verständnisses über S/F Hybridstrukturen weiter experimentell vertieft. Hierzu werden z.B. das obere kritische Feld, sowie thermisch aktivierte Flussfadenwanderung und der Einfluss eines angelegten Magnetfeldes auf die Oszillationen in der supraleitenden Übergangstemperatur in S/F Proben untersucht.

 

Die AG Nanoskalige Schichtstrukturen

Die AG Nanoskalige Schichtstrukturen untersucht die oben beschrieben Effekt in Supraleiter-Ferromagnet-Schichtstrukturen. Hierzu werden die Proben präpariert,  die elektrischen Eigenschaften bei tiefen Temperaturen im He4- oder He3-Verdampfungskryostaten, bzw. im He3/He4-Mischungskryostaten untersucht, sowie mit Hilfe von Rutherford-Backscattering-Spectrometry (RBS) (Abb. 7)  und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) (Abb. 8) strukturell und mittels Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) Magnetometrie (Abb. 9) magnetisch charakterisiert.

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Abb. 7: RBS-Spektrum einer Probe einer FSF-Probenserie. Die Peaks sind jeweils der entsprechenden Schicht zugeordnet. [4]

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Abb. 8: TEM-Aufnahme des Querschnitts einer Probe einer F/S/F Probenserie [4]

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Abb. 9: Ergebnisse der SQUID-Magnetometrie einer SF1NF2-AF Probe (Nb/Cu41Ni59/nc-Nb/Co/CoOx). Während (a) die Hysterese des gesamten Systems zeigt, zeigt (b) die Beiträge der beiden F-Schichten separat. Die Verschiebung der blauen Kurve (Co) durch das Exchange Biasing durch den Antiferromagneten ist deutlich zu erkennen. Da die leichte magnetische Richtung der Cu41Ni59 Schicht (rote Kurve) senkrecht zur Filmebene liegt (lässt sich aus der Messung im Inset bei unterschiedlicher Orientierung des Magnetfelds erkennen (siehe Inset)), lassen sich die in den Piktogrammen dargestellten magnetischen Orientierungen folgern. [7]

Literatur:

[1] P. Fulde and R. A. Ferrell, Superconductivity in a Strong Spin-Exchange Field, Phys. Rev. A 135, A550 (1964).

[2] A. I. Larkin and Y. N. Ovchinnikov, Inhomogenous State of Superconductors, ZhETF 47, 1136 (1964) [Sov. Phys. JETP 20, 762 (1965)].

[3] V. I. Zdravkov, A. Sidorenko, G. Obermeier, S. Gsell, M. Schreck, C. Müller, S. Horn, R. Tidecks, and L. R. Tagirov, Reentrant Superconductivity in Nb/Cu1-xNix Bilayers, Phys. Rev. Lett 97, 057004 (2006).

[4] J. Kehrle, V.I. Zdravkov, G. Obermeier, J. Garcia-Garcia, A. Ullrich, C. Müller, R. Morari, A. S. Sidorenko, S. Horn, L. R. Tagirov, and R. Tidecks, Critical Temperature Oscillations and Reentrant Superconductivity Due to the FFLO Like State in F/S/F Trilayers, Ann. Phys. (Berlin) 524/1, 37 (2012).

[5] V.I. Zdravkov, J. Kehrle, G. Obermeier, S. Gsell, M. Schreck, C. Müller,   H. A. Krug Von Nidda, J. Lindner, J. Moosburger-Will, E. Nold, R. Morari, V. V. Ryazanov, A. S. Sidorenko, S. Horn, R. Tidecks, and L. R. Tagirov, Reentrant Superconductivity in Superconductor/Ferromagnetic-Alloy Bilayers, Phys. Rev. B 82, 054517 (2010).

[6] Y.V. Fominov, A.A. Golubov, T.Y. Karminskaya, M.Yu. Kupriyanov, R.G. Deminov and L.R. Tagirov, Superconducting Triplet Spin Valve, Pis'ma v ZhETF 91, 329 (2010) [JETP Lett. 91, 308 (2010)].

[7] V.I. Zdravkov, J. Kehrle, G. Obermeier, D. Lenk, H.-A. Krug von Nidda, C. Müller, M.Yu. Kupriyanov, A.S. Sidorenko, S. Horn, R. Tidecks, L.R. Tagirov, Experimental Observation of the Triplet Spin-Valve Effect in a Superconductor-Ferromagnet Heterostructure, Phys. Rev. B 87, 144507 (2012)

[8] V.I. Zdravkov, D. Lenk, R. Morari, A. Ullrich, G. Obermeier, C. Müller, H.­A. Krug von Nidda, A.S. Sidorenko, S. Horn, R. Tidecks, and L.R. Tagirov, Memory Effect and Triplet Pairing Generation in the Superconducting Exchange Biased Co/CoOx/Cu41Ni59/Nb/Cu41Ni59 Layered Heterostructure, Appl. Phys. Lett. 103, 062604 (2013)

 

Ansprechpartner:

Reinhard Tidecks

Arbeitsgruppenmitglieder:

Daniel Lenk

Claus Müller

Günter Obermeier

Aladin Ullrich

Vladimir Zdravkov

Ehemalige:

Mamoun Hemmida

Jan Kehrle

Thomas Mairoser

Kooperationen:

Experimentalphysik IV:

Wolfgang Reiber

Birgit Knoblich

Experimentalphysik V:

Hans-Albrecht Krug von Nidda

Dana Vieweg

Experimentalphysik VI:

Alexander Herrnberger

Externe Kooperationen:

Solid State Physics Department, Kazan Federal University, Kazan, Russland:

Lenar R. Tagirov

D. Ghitsu Institute of Electronic Engineering and Nanotechnologies ASM, Kishinev, Moldawien:

Anatoli S. Sidorenko

Roman Morari