Динамические сверхпроводящие состояния в гетероструктурах сверхпроводник/магнетик

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-42-04408

НазваниеДинамические сверхпроводящие состояния в гетероструктурах сверхпроводник/магнетик

Руководитель Бобкова Ирина Вячеславовна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №54 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (DFG)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова спинтроника, гибридные наноструктуры сверхпроводник/ферромагнетик, коллективные моды, спиновые волны, квантовая магноника, мода Хиггса в сверхпроводниках, сверхпроводящие квантовые материалы, динамические состояния, топологическая сверхпроводимость

Код ГРНТИ29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен исследованию взаимодействия гибридных сверхпроводящих систем с квантовыми электромагнитными полями, такими как фононы и магноны. Данное взаимодействие существенно модифицируется из-за наличия спин-триплетной сверхпроводимости, вызванной эффектом близости, топологических майорановских состояний и возбуждения коллективной моды Хиггса в сверхпроводнике, аналогичной бозону Хиггса в физике частиц. Интерес к таким системам стимулируется, в том числе, недавним прогрессом в изготовлении бислойных систем сверхпроводник/ферромагнитный изолятор или ферромагнитный металл, которые являются платформой для исследования широкого класса явлений: топологических сверхпроводящих состояний, связанного спинового, теплового и зарядового транспорта и влияния сверхпроводящих корреляций на спиновою накачку. Взаимодействие между системами с различными типами параметра порядка, такими как сверхпроводники и магнетики, детально исследовалось на протяжении последних десятилетий, но фокус этих исследований был направлен на статические или низкочастотные свойства. В то же время, недавний прогресс, достигнутый в области микроволновых квантовых систем и низкотемпературной терагерцовой спектроскопии, настоятельно требует развития понимания динамического сверхпроводящего эффекта близости и взаимодействия динамических мод в таких системах (фотоны, магноны и коллективные моды сверхпроводящего параметра порядка). Исследования обозначенного класса динамических явлений являются целью нашего проекта. Первые две задачи проекта фокусируются на динамическом сверхпроводящем эффекте близости. Известно, что контакт сверхпроводника с магнитным материалом индуцирует необычные сверхпроводящие корреляции на наномасштабах вблизи границы раздела. Наиболее важными примерами таких необычных корреляций являются триплетная сверхпроводимость, фазово-неоднородная сверхпроводимость (геликоидальное сверхпроводящее состояние) и топологическая сверхпроводимость. Использование структур сверхпроводник/магнетик в области спинтроники предполагает динамический характер намагниченности. Очевидно, что динамика намагниченности в гетероструктуре вызовет динамический отклик вызванных эффектом близости сверхпроводящих корреляций. Однако, на данный момент как фундаментальные свойства, так и перспективы применения таких динамических корреляций практически не исследованы. В рамках данного проекта мы планируем восполнить этот пробел. Мы планируем исследования динамических триплетных корреляций в гибридных системах сверхпроводник/ферромагнитный металл (S/FM, S/FM/S), индуцированных взаимодействием со спиновыми волнами и электромагнитным излучением, а также исследования отклика фазово-неоднородного состояния в S/F гибридах на динамику намагниченности в ферромагнетике. Третья и четвертая задачи посвящены взаимодействию майорановских мод и коллективной моды Хиггса с магнонами в (анти)ферромагнитных изоляторах. Эти эффекты важны для понимания фундаментальных аспектов поведения гибридных квантовых систем, включающих в себя сверхпроводящий конденсат, магноны и электромагнитные поля. Исследуя такие системы, мы научимся контролировать сверхпроводящий эффект близости с помощью света, конструировать и изучать майорановские состояния и моды Хиггса, связанные с магнонами. Это позволит нам получить глубокое понимание динамических свойств сверхпроводящих гибридных систем, которое в перспективе может быть использовано в области бурно развивающихся квантовых технологий.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Амудсен Мортен, Бобкова И.В., Камра Акашдип Magnonic spin Joule heating and rectification effects Physical Review B, 106, 144411 (год публикации - 2022)
10.1103/PhysRevB.106.144411

2. Бобкова И.В., Бобков А.М., Камра Акашдип, Белциг Вольфганг Magnon-cooparons in magnet-superconductor hybrids Communications Materials, 3, 95 (год публикации - 2022)
10.1038/s43246-022-00321-8

3. Джанализаде Алиасгар, Рахмонов Илхом, Абдельмонейм Сара, Шукринов Юрий, Колахчи Мохамад Nonlinear features of the superconductor–ferromagnet–superconductor φ0 Josephson junction in the ferromagnetic resonance region Beilstein Journal of Nanotechnology, 13, 1155 (год публикации - 2022)
10.3762/bjnano.13.97

Публикации

1. Рахмонов И.Р., Рахмонова А.Р., Шукринов Ю.М. Magnetization Reversal by Pulse of Magnetic Field in SQUID with Single φ0-Junction Physics of Particles and Nuclei Letters, Vol. 20, No. 5, pp. 1161–1164 (год публикации - 2023)
10.1134/S1547477123050643

2. Бобков А.М., Сорокин С.А., Бобкова И.В. Renormalization of antiferromagnetic magnons by superconducting condensate and quasiparticles PHYSICAL REVIEW B, Vol. 107, Iss. 17, p.174521 (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevB.107.174521

3. Яновская А.С., Бобков А.М., Бобкова И.В. Magnon influence on the superconducting density of states in superconductor–ferromagnetic-insulator bilayers PHYSICAL REVIEW B, Vol. 108, Iss. 21, p.214501 (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevB.108.214501

4. Бобков Г.А., Бобкова И.В., Бобков А.М. Magnetic eigenmodes in chains of coupled φ0-Josephson junctions with ferromagnetic weak links Письма в ЖЭТФ (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Джозефсоновский переход сверхпроводник/ферромагнетик/сверхпроводник с аномальным сдвигом фаз (φ0-S/F/S JJ) представляет собой систему, в которой аномальный сдвиг основного состояния φ0 обеспечивает прямую магнитоэлектрическую связь между магнитным моментом и фазой сверхпроводящего конденсата. Если цепочка таких φ0-S/F/S JJ связана сверхпроводящими выводами, то фаза конденсата, будучи макроскопической величиной, переносит дальнодействующее взаимодействие между магнитными моментами слабых связей. Мы изучили динамические магнитные свойства такой системы. Показано, что она проявляет свойства n-уровневой системы, где энергии уровней определяются только проекциями полного магнитного момента на легкую магнитную ось. Это похоже на магнитный атом в поле Зеемана, но роль поля играет магнитоэлектрическая связь. Однако, в отличие от атома в магнитном поле, относительный порядок энергий различных состояний контролируется сверхтоком. Также показано, что реакция магнитной системы на локальные внешние возмущения магнитного состояния, т. е. перевороты одного из магнитных моментов является крайне нелокальной [https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.054523]. Далее исследована динамика связанных цепочек φ0-S/F/S JJ под действием приложенного внешнего напряжения. Показано, что наличие аномального сдвига фазы φ0 делает нестабильным обычный режим, соответствующий линейному росту сверхпроводящей фазы в каждом из переходов. Найдены и исследованы новые устойчивые режимы. Изменения динамического поведения отчетливо видны на ВАХ системы и могут служить экспериментальным подтверждением наличия магнитоэлектрической связи φ0. Более того, коллективные магнитные возбуждения цепочек φ0-S/F/S JJ также проявляются на ВАХ [https://doi.org/10.1103/PhysRevB.110.134522]. Предсказано, что из-за индуцированной магнитоэлектрической связью динамики намагниченности φ0-S/F/S джозефсоновский переход может проявлять хаос и гистерезис, что в некоторых случаях приводит к множественным ветвям в его ВАХ. Для переключения между различными состояниями напряжения могут использоваться импульсы тока. Такое переключение может использоваться в криогенных компонентах памяти [https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.22.014062]. Показано, что в трехслойной гетероструктуре ферромагнетик/изолятор/ферромагнетик, зажатой между двумя сверхпроводниками (S/F/I/F/S) возникает сверхсильное магнон-фотонное и магнон-магнонное взаимодействие, которое переносится мейсснеровскими токами в сверхпроводнике, возникающими как отклик на поля рассеяния магнонов. В диапазоне волновых чисел магнонов порядка микроволновых фотонов сила магнон-магнонного взаимодействия во много раз больше силы обычного диполь-дипольного взаимодействия между ферромагнитными слоями рассматриваемых толщин (десятки нанометров), разделенных слоем изолятора. Силы магнон-магнонного и магнон-фотонного взаимодействийй анизотропны. При этом анизотропия магнон-магнонной связи противоположна анизотропии магнон-фотонной связи, ее сила максимальна в конфигурации Дэймона-Эшбаха (волновой вектор магнона перпендикулярен равновесной намагниченности) и равна нулю, когда они параллельны. Анизотропия позволяет разделить магнон-магнонные и магнон-фотонные связи. Мы также демонстрируем возможность управления магнон-магнонным, а также магнон-фотонным взаимодействием путем регулировки температуры. Оба взаимодействия становятся намного сильнее, когда температура падает ниже критической температуры сверхпроводников. Это позволяет реализовать на основе рассмотренных структур эффективные фазовые шифтеры, которые могут быть использованы в различных устройствах магнонной логики.

Публикации

1. Бобков Г.А., Бобкова И.В., Бобков А.М. Controllable magnetic states in chains of coupled ϕ0 Josephson junctions with ferromagnetic weak links Physical Review B, Vol. 109, Iss. 5, 054523 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevB.109.054523

2. Мазаник А.А., Бота А.Е., Рахмонов И.Р., Шукринов Ю.М. Hysteresis and chaos in anomalous Josephson junctions without capacitance Physical Review Applied, Vol. 22, Iss. 1, 014062 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevApplied.22.014062

3. Бобков Г.А., Бобков А.М., Бобкова И.В. Voltage-driven dynamics of ϕ0 superconductor/ferromagnet/superconductor Josephson junction chains Physical Review B, Vol. 110, Iss. 13, 134522 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevB.110.134522

Возможность практического использования результатов
Теоретические результаты, полученные в результате реализации проекта, могут быть использованы в качестве наработок для разработки принципов создания новых технологий микроэлектроники для создания систем обработки, передачи, хранения и защиты информации. В частности, они могут быть использованы при разработке принципов функционирования устройств магнонной логики и криогенной памяти.