Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках проекта исследовались динамические корреляции, которые индуцируются магнонами в тонкопленочных гетероструктурах сверхпроводник/(анти)ферромагнетик. Было изучено их обратное влияние на спектр магнонов в ферромагнетике и антиферромагнетике. Мы показали, что в тонкопленочных гетероструктурах сверхпроводник/магнетик магнонная и сверхпроводящая подсистема сильно влияют друг на друга. Из-за наличия поверхностного обменного взаимодействия между ферромагнетиком и сверхпроводником в последнем наводится эффективное обменное поле. Аналогичное обменное поле в сверхпроводнике было предсказано и для структур сверхпроводник/антиферромагнетик, если на S/AF интерфейсе присутствует нескомпенсированная намагниченность. Это обменное поле в сверхпроводнике повторяет профиль намагниченности магнетика с учетом магнона. Такое пространственно-неоднородное и зависящее от времени обменное поле приводит к появлению спиновой поляризации квазичастиц сверхпроводника и генерации триплетных куперовских пар в нем. Причем спиновая поляризация квазичастиц не сонаправлена с локальным обменным полем (эффект динамического запаздывания), а поэтому действует на магнетик как эффективное поле анизотропии, создавая вращательный момент. Для магнона с ненулевым волновым вектором профиль обменного поля становится неоднородным, что приводит к генерации триплетных куперовских пар электронов с одинаковыми спинами. Магнон создает вокруг себя облако триплетных пар, которые одевают его, увеличивая его эффективную массу и экранируя его спин. Возможность управлять законом дисперсии спиновых волн является одним из важнейших требований для инжиниринга магнонных устройств. Мы показали, что тонкопленочные гибридные структуры состоящие из ферромагнитного (F) или антиферромагнитного (AF) изолятора и сверхпроводника (S) или нормального металла (N) имеют широкие перспективы в этой области. В структурах с ферромагнетиком и антиферромагнетиком в силу различия их характерных частот (ГГц для ферромагнетиков и ТГц для антиферромагнетиков) описанные выше процессы играют разную роль и влияние сверхпроводника на магнетик выглядит по-разному. Для S/F структур в силу того, что характерные частоты типичного ферромагнетика малы по сравнению со щелью типичного сверхпроводника, влияние квазичастичной спиновой поляризации на спектр магнонов (которое определяется степенью неадиабатичности спиновой поляризации квазичастиц, т.е. насколько она не успевает подстраиваться под локальную намагниченность магнетика) пренебрежимо мало. Основное влияние оказывают спин-триплетные пары. Как уже было сказано выше, они одевают магнон, увеличивают его массу, т.е. константу обменной жесткости и экранируют спин. Таким образом, в S/F структурах магнон преобразуется в композитную частицу магнон+облако триплетных пар, которую мы назвали magnon-Cooparon. Численные оценки для реалистичных параметров структур показали, что эти перенормировки очень существенны и имеют порядок самой величины жесткости и спина, соответственно. Результаты опубликованы в работе I. V. Bobkova, A. M. Bobkov, A. Kamra, and W. Belzig, Magnon-cooparons in magnet-superconductor hybrids, Communications Materials 3, 95 (2022). https://doi.org/10.1038/s43246-022-00321-8 Для структур с антиферромагнитным изолятором в силу того, что характерные магнонные частоты намного выше и имеют порядок величины сверхпроводящей щели, в перенормировке спектра магнонов участвуют как поляризация квазичастиц, так и спин-триплетные пары. В отличие от ферромагнетика, спектр магнонов в антиферромагнетике содержит две моды, которые для антиферромагнетика типа легкая ось вырождены по энергии при нулевом приложенном магнитном поле. Взаимодействие с сверхпроводником приводит к снятию этого вырождения. Также мы показали, что взаимодействие с электронной подсистемой металла приводит к появлению дополнительной моды в магнонном спектре, которая физически является результатом взаимодействия с модой электронного парамагнитного резонанса в обменном поле, наводимом самим же магнетиком. Одним из интересных практических результатов нашей работы является предложение способа прямого измерения обменного поля, наведенного магнетиком в сверхпроводнике (или нормальном металле, который рассмотрен как предельный случай сверхпроводника при высокой температуре). Работа доступна в виде препринта A. M. Bobkov, S. A. Sorokin, I. V. Bobkova, Renormalization of antiferromagnetic magnons by superconducting condensate and quasiparticles, arXiv:2212.01831 https://arxiv.org/pdf/2212.01831.pdf Был рассмотрен магнонный транспорт через границу сверхпроводник/ферромагнитный изолятор. Мы показали, что спиновое расщепление плотности состояний сверхпроводника, которое возникает из-за обменного взаимодействия с ферромагнетиком, делает тепловой и спиновый кондактансы системы очень чувствительными к внешним параметрам: температуре и величине обменного поля сверхпроводника (которое можно регулировать приложенным внешним полем). Далее было показано, что за пределами теории линейного отклика, спиновый и тепловой токи как функции разницы температур или спинового разбаланса в данной системе проявляют диодный эффект и гистерезисное поведение. Гистерезис является следствием бистабильности сверхпроводящего состояния в гибридах сверхпроводник/магнетик. Результаты опубликованы в работе Morten Amundsen, Irina V. Bobkova, and Akashdeep Kamra, Magnonic spin Joule heating and rectification effects, Phys. Rev. B 106, 144411 (2022) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.106.144411 Изучена динамическая связь между джозефсоновским током и магнитной динамикой при условии, что в магнитной подсистеме возбуждается мода Киттеля с нулевым волновым вектором магнона. В системе есть две характерных частоты – частота магнитного резонанса и джозефсоновская частота, пропорциональная напряжению на джозефсоновском контакте. Показано, что резонанс между ними можно пронаблюдать на вольт-амперной характеристике контакта как область отрицательного дифференциального сопротивления. Этот эффект объясняется тем, что вблизи резонанса в системе растет нелинейность. В частности, это приводит к резкому роста величины сверхтекучей компоненты джозефсоновского тока, т.к. эта компонента после усреднения по времени может быть отлична от нуля только в результате учета нелинейности. Рост сверхтока в рассмотренных условиях постоянства пропускаемого через контакт тока приводит к падению сопротивления контакта, т.е. области отрицательного магнитосопротивления. Результаты опубликованы в работе Aliasghar Janalizadeh, Ilhom R. Rahmonov, Sara A. Abdelmoneim, Yury M. Shukrinov and Mohammad R. Kolahchi, Nonlinear features of the superconductor–ferromagnet–superconductor φ0 Josephson junction in the ferromagnetic resonance region, Beilstein J. Nanotechnol. 2022, 13, 1155 (2022). https://www.beilstein-journals.org/bjnano/articles/13/97

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Исследована перенормировка магнонного спектра антиферромагнетика из-за сверхпроводимости в тонкопленочных гетероструктурах сверхпроводник/антиферромагнетик. Возможность управлять законом дисперсии спиновых волн является одним из важнейших требований для инжиниринга магнонных устройств. Для структур с антиферромагнитным изолятором в силу того, что характерные магнонные частоты высоки и имеют порядок величины сверхпроводящей щели, в перенормировке участвуют как триплетные пары, так и поляризация квазичастиц. Это приводит к тому, что перенормируется как жесткость магнонов, так и щель в спектре их возбуждений. Также мы показали, что взаимодействие с электронной подсистемой металла приводит к появлению дополнительной моды в магнонном спектре, которая физически является результатом взаимодействия с модой электронного парамагнитного резонанса в обменном поле, наводимом самим же магнетиком. В 2023 году мы провели подробные исследования резонансного случая, когда частота дополнительной моды примерно совпадает с собственной частотой антиферромагнетика. Оказалось, что в этом случае магнонный спектр антиферромагнетика сильно перестраивается. A. M. Bobkov, S. A. Sorokin, and I. V. Bobkova, Renormalization of antiferromagnetic magnons by superconducting condensate and quasiparticles, Phys. Rev. B 107, 174521 (2023). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.107.174521 2. Исследовано влияние тепловых магнонов на плотность состояний сверхпроводника в тонкопленочных гибридных гетероструктурах сверхпроводник/ферромагнитный изолятор (FI/S). Недавние эксперименты и теория демонстрируют богатое разнообразие транспортных явлений, происходящих в устройствах на основе таких гетероструктур, которые предполагают прямое применение в термоэлектричестве, низкодиссипативной спинтронике, в качестве детекторов излучения. Продемонстрировано, что индуцированные взаимодействием электронов с магнонами процессы переворота спина электронов приводят к тому, что расщепленные квазичастичные ветви в сверхпроводнике частично смешиваются и перестраиваются. Без учета взаимодействия с магнонами плотность состояний в сверхпроводнике имеет вид как в теории БКШ, но расщеплена по спину из-за наведения эффективного обменного поля в сверхпроводнике в результате эффекта близости с ферромагнитным изолятором. При учете взаимодействия с магнонами она существенно видоизменяется в области внешних когерентных пиков, которые уширяются. Данное уширение резко растет с температурой за счет повышения концентрации тепловых магнонов. При этом внутренние когерентные пики гораздо слабее затрагиваются влиянием магнонов. Такое асимметричное и сильно зависящее от температуры видоизменение когерентных пиков является характерным признаком процессов электрон-магнонного взаимодействия. Также в результате электрон-магнонного взаимодействия эффективный параметр порядка сверхпроводника приобретает нечетную по частоте компоненту. A. S. Ianovskaia, A. M. Bobkov, and I. V. Bobkova, Magnon influence on the superconducting density of states in superconductor–ferromagnetic-insulator bilayers, Phys. Rev. B 108, 214501 (2023). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.108.214501 3. Проведены исследования отклика тонкопленочной S/F структуры, где F - ферромагнитный изолятор, а S - топологический сверхпроводник, в котором в равновесных условиях реализуется геликоидальное состояние, на возбуждение магнона в ферромагнетике. Показано, что жесткая связь между спином и импульсом в топологическом сверхпроводнике приводит к двум существенным эффектам. Во-первых, перенормировка магнонного спектра динамическими триплетными корреляциями, наводимыми из-за магнона в сверхпроводнике, является анизотропной. Анизотропия определяется углом между направлением распространения магнона и направлением модуляции фазы параметра порядка в геликоидальном состоянии. Анизотропная перенормировка спектра магнонов может служить признаком того, что в структуре реализовано геликоидальное сверхпроводящее состояние. Во-вторых, замешивание триплетных и синглетных корреляций приводит к тому, что магнон, возбуждая триплетные корреляции в сверхпроводнике, тем самым возбуждает и динамический отклик синглетных корреляций, а значит и параметра порядка. Таким образом, становится возможной гибридизация магнонной моды и коллективных мод сверхпроводника. Показано, что в определенном диапазоне параметров системы эта гибридизация сильно перестраивает спектр. 4. Изучены динамические магнитные свойства цепочки связанных джозефсоновских S/F/S контактов с аномальным сдвигом фазы основного состояния. Это уникальная система, в которой реализуется дальнодействующее взаимодействие магнитных моментов слабых связей. Взаимодействие имеет магнитоэлектрическую природу и осуществляется через фазу сверхпроводящего конденсата. Система представляет собой парадигмальную платформу для исследования коллективных магнитных явлений и состояний, управляемых сверхпроводящей фазой. Показано, что эта цепочка проявляет свойства n-уровневой системы, где энергии уровней определяются только проекциями полного магнитного момента всех слабых связей на легкую ось магнитной анизотропии. Это похоже на магнитный атом в зеемановском поле, но роль поля играет магнитоэлектрическая связь. Однако, в отличие от атома в магнитном поле, относительный порядок энергий различных состояний контролируется разностью фаз между внешними сверхпроводящими берегами. Изучены собственные магнитные моды этой системы и продемонстрировано, что собственные частоты определяются магнитной конфигурацией всей системы и управляются сверхпроводящей фазой. В зависимости от ориентации оси магнитной анизотропии характер колебаний в собственных модах может сильно различаться, от несвязанных колебаний различных магнитов до высококооперативного поведения. G. A. Bobkov, I. V. Bobkova, A. M. Bobkov, « Magnetic eigenmodes in chains of coupled phi0-Josephson junctions with ferromagnetic weak links», arXiv:2311.15613 (принята в Письма в ЖЭТФ) https://arxiv.org/abs/2311.15613 G. A. Bobkov, I. V. Bobkova, A. M. Bobkov, « Controllable magnetic states in chains of coupled phi-0 Josephson junctions with ferromagnetic weak links», arXiv:2310.16543 https://arxiv.org/abs/2310.16543 5. Изучен процесс перемагничивания в СКВИДе с единственным переходом. Продемонстрирован переворот намагниченности импульсом внешнего магнитного поля. Показано, что перемагничивание имеет периодический характер в зависимости от амплитуды импульса и индуктивности СКВИДа. I. R. Rakhmonov, A. R. Rakhmonova, and Yu. M. Shukrinov, Magnetization Reversal by Pulse of Magnetic Field in SQUID with Single ϕ0-Junction, Physics of Particles and Nuclei Letters, 20, 1161 (2023). 6. Рассмотрен джозефсоновский S/F/S контакт с аномальным сдвигом фазы основного состояния в режиме протекающего через него электрического тока, содержащего постоянную и переменную компоненты. Обычно джозефсоновские переходы с малой емкостью не проявляют хаотического поведения в своей фазовой динамике. В рассмотренной нами системе из-за наведенной током динамики намагниченности даже в пределе отсутствия емкости переход может демонстрировать хаос и гистерезис, что в некоторых случаях приводит к множественным ветвям его вольт-амперной характеристики. Также показано, что импульсы тока могут привести к переключению между состояниями с различными напряжениями, что потенциально может оказаться полезным для приложений сверхпроводящей памяти. A. A. Mazanik, A. E. Botha, I. R. Rahmonov, and Yu. M. Shukrinov, Hysteresis and chaos in anomalous Josephson junctions without capacitance, arXiv:2311.00597 https://arxiv.org/abs/2311.00597