超導(dǎo)體（S）和鐵磁體（F）之間的界面是凝聚態(tài)物理研究的熱點(diǎn)。二者界面耦合產(chǎn)生了較多有趣的物理現(xiàn)象。S/F界面的磁近鄰效應(yīng)是由界面兩側(cè)的電子自旋之間的交換相互作用，導(dǎo)致抑制磁序或出現(xiàn)非傳統(tǒng)超導(dǎo)電性。當(dāng)磁性材料靠近超導(dǎo)體時(shí)，磁場(chǎng)進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)僅幾納米的區(qū)域并破壞庫(kù)珀對(duì)，致使界面的超導(dǎo)行為發(fā)生空間變化，影響兩側(cè)材料的宏觀物理特性。當(dāng)前，超導(dǎo)自旋電子學(xué)已成為新興領(lǐng)域，對(duì)實(shí)現(xiàn)無(wú)耗散自旋邏輯和存儲(chǔ)技術(shù)具有重要作用。

目前，在不同的材料體系中S/F界面磁鄰近效應(yīng)的基本機(jī)制存在爭(zhēng)議。此前，有研究在金屬合金構(gòu)成的S/F異質(zhì)結(jié)中觀測(cè)到超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨著鐵磁層厚度變化而振蕩的現(xiàn)象，表明該系統(tǒng)因強(qiáng)交換場(chǎng)導(dǎo)致超導(dǎo)配對(duì)波可能存在特殊的傳輸方式。隨著先進(jìn)薄膜制備技術(shù)的發(fā)展，科研人員開始研究單晶氧化物S/F異質(zhì)界面如高溫超導(dǎo)體（YBa₂Cu₃O₇）/自旋極化半金屬鐵磁體（La_1-xCa_xMnO₃）界面。研究發(fā)現(xiàn)，該界面磁矩減小且界面兩側(cè)過渡金屬離子的自旋反平行，并受到磁性層的電子態(tài)、S 層厚度、非均勻的域結(jié)構(gòu)等因素的影響。科研人員在S/F異質(zhì)結(jié)中觀察超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度抑制、轉(zhuǎn)變寬度增加和自旋閥特性發(fā)現(xiàn)，這類特殊的界面在發(fā)展超導(dǎo)自旋電子學(xué)器件方面有所裨益。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員郭爾佳和中國(guó)科學(xué)院院士金奎娟等，運(yùn)用射頻氮原子源輔助的脈沖激光沉積技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上制備了Fe₃N/VN異質(zhì)結(jié)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。X射線衍射曲線表明，F(xiàn)e₃N和VN薄膜均沿<111>晶相生長(zhǎng)，具有較好的結(jié)晶質(zhì)量。高分辯掃描透射電鏡結(jié)果表明，藍(lán)寶石襯底與異質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)之間的界面具有原子級(jí)平整度、原子有序排列和低化學(xué)混雜的特點(diǎn)。該研究利用低溫下電學(xué)和磁學(xué)表征了Fe₃N/VN異質(zhì)結(jié)的電阻和磁矩隨溫度與磁場(chǎng)的變化關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，受到鐵磁性Fe₃N的影響，F(xiàn)e₃N/VN異質(zhì)結(jié)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度下降了約1.5 K，Ginzburg-Landau相干長(zhǎng)度和平均自由程均增加了約20%。在低場(chǎng)和超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下，F(xiàn)e₃N/VN異質(zhì)結(jié)的飽和磁矩、矯頑場(chǎng)和超導(dǎo)臨界場(chǎng)均增加，表明VN界面層可能存在Fe₃N近鄰效應(yīng)引入的凈磁矩。

進(jìn)一步，該研究利用中國(guó)散裂中子源的中子譜儀測(cè)量Fe₃N/VN異質(zhì)結(jié)的極化中子反射譜。研究表明，在VN薄膜中臨近界面的約5納米區(qū)域存在約60.3 ± 2.4 kA/m的凈磁矩。同時(shí)，該磁矩方向與鐵磁薄膜中的磁矩方向排列一致。研究通過變溫和變磁場(chǎng)的極化中子反射譜發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)VN處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)VN的界面才具有凈磁矩。這一反常的界面磁性特征與過去在YBa₂Cu₃O₇/La_1-xCa_xMnO₃氧化物界面和合金界面的自旋排列反平行的規(guī)律不同。研究通過第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e₃N/VN界面具有d軌道重構(gòu)和界面電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，以及過渡金屬離子之間的自旋滿足Heisenberg直接交換耦合，且耦合常數(shù)J約為4.28 meV。該工作觀測(cè)到全氮化物超導(dǎo)/鐵磁異質(zhì)界面獨(dú)特的磁近鄰效應(yīng)，并對(duì)構(gòu)建超導(dǎo)自旋電子學(xué)器件中的三重超電流自旋閥和“π”約瑟夫遜結(jié)等關(guān)鍵元件具有一定的推動(dòng)作用。

相關(guān)研究成果以Syntropic spin alignment at the interface between ferromagnetic and superconducting nitrides為題，發(fā)表在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review）上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“量子調(diào)控與量子信息”專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金和原創(chuàng)探索計(jì)劃項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃和特別研究助理資助項(xiàng)目、中國(guó)博士后基金等的支持。

論文鏈接