КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 22-42-04408

НазваниеДинамические сверхпроводящие состояния в гетероструктурах сверхпроводник/магнетик

РуководительБобкова Ирина Вячеславовна, Доктор физико-математических наук

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

Годы выполнения при поддержке РНФ

2022 - 2024

КонкурсКонкурс 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 словаспинтроника, 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.

Ожидаемые результаты
(i) Расчет и анализ поведения динамических триплетных корреляций, вызванных возбуждениями магнетика с ненулевым волновым вектором (магнонами) в гибридных системах сверхпроводник/ферромагнитный металл и джозефсоновских контактах через металлический ферромагнетик. Данная задача в литературе не исследовалась. Ожидается, что такого рода динамические корреляции будут иметь слабозатухающий характер в ферромагнетике, а значит дают новый метод генерации слабозатухающих триплетных корреляций в магнетиках и представляют интерес в области сверхпроводящей спинтроники. (ii) Расчет и анализ динамических триплетных корреляций в гибридных структурах сверхпроводник/ферромагнитный металл, которые формируются под воздействием переменного электрического поля из-за взаимодействия движущегося конденсата и примесного спин-орбитального взаимодействия в системе. Взаимодействие между примесным спин-орбитальным взаимодействием и движущимся конденсатом в сверхпроводящих гибридах с магнетиками на данный момент не исследовано. С другой стороны, мы полагаем, что важность такого исследования достаточно велика, т.к. примесное спин-орбитальное взаимодействие неизбежно присутствует в различных материалах, что приводит к возможности обнаружить эффект в широком классе систем. (iii) Расчет "магнитных ступеней Фиске" в вольт-амперных характеристиках джозефсоновского контакта через текстурированный магнетик. (iv) Расчет и анализ динамического отклика геликоидального состояния в S/F бислоях с поверхностным взаимодействием типа Рашбы и пространственно однородной динамической намагниченностью. В то время как статические свойства геликоидального состояния в последние годы привлекают значительный интерес, динамические свойства еще не исследовались. Единственная родственная задача, которая рассматривалась в литературе, это динамический отклик состояния с аномальным сдвигом фазы основного состояния в джозефсоновских контактах. Изучение этого динамического отклика оказывается очень важным, т.к. аномальный сдвиг фазы обеспечивает механизм прямой связи между фазой конденсата и намагниченностью. В то же время задача о динамическом отклике геликоидального состояния является существенно двумерной, и, таким образом, получающиеся в результате динамические картины могут оказаться гораздо более богатыми, чем динамический отклик нульмерной джозефсоновской разности фаз. (v) Расчет и анализ динамического отклика геликоидального состояния в S/F бислоях со спиральной структурой намагниченности в присутствии возбуждений ферромагнитной спиральной текстуры, гелимагнонов. (vi) Исследование проявлений геликоидального состояния S/F бислоев в термоэлектрическом эффекте. (vii) Расчет расщепления майорановских мод, вызванного обменом магнонами в ферромагнитном изоляторе. Анализ зависимости этого расщепления от геометрии системы и анализ его вклада в шумовые характеристики топологических кубитов. Предлагаемое исследование взаимодействия майорановских мод с магнонами является очень своевременным в связи с тем, что в последнее время гибридные структуры, состоящие из сверхпроводников и ферромагнитных изоляторов, являются активно развиваемой платформой для реализации топологической сверхпроводимости без внешнего магнитного поля. В этом случае, однако, появляется дополнительный канал декогеренции из-за наличия магнонов в ферромагнетике, т.к. майорановские моды могут взаимодействовать посредством обмена магнонами. Результаты пунктов (vii) и (viii) являются нашим ожидаемым вкладом в решение задачи о взаимодействии маорановских мод с магнонами. (viii) Расчет и анализ взаимодействия магнонных состояний с майорановскими связанными состояниями. Анализ того, как магнонные корреляторы изменяются из-за брейдинга. Эти результаты позволят нам предложить новый механизм детектирования фазы Берри, связанной с операцией брейдинга, путем монитогинга сжатия магнонных состояний. (ix) Расчет влияния андреевских связанных состояний на процессы спиновой накачки в гетероструктурах сверхпроводник/ферромагнитный изолятор. Мы планируем рассматривать подщелевые состояния в d-волновых сверхпроводниках и корах абрикосовских вихрей. (x) Вычисление нелинейной спиновой восприимчивости сверхпроводника и, в частности, расчет генерации третьей гармоники в ферромагнитном резонансе с учетом возбуждения моды Хиггса. Фундаментальный интерес этого результата связан с тем, что, как ожидается, на больших частотах взаимодействие сверхпроводящего параметра порядка с магнонами переносится коллективными модами сверхпроводника, аналогичными бозону Хиггса в физике частиц. До сих пор мода Хиггса в сверхпроводниках возбуждалась только действием света через нелинейные процессы, переносимые примесным рассеянием. Наше предположение состоит в том, что мода Хиггса также может генерироваться и контролироваться зависящим от времени обменным полем, которое создается в результате эффекта близости с ферромагнитным изолятором. (xi) Расчет линейной гибридизации моды Хиггса и ферромагнитного резонанса в системе в системе с неколлинеарным статическим зеемановским полем, которое может создаваться эффектом близости с антиферромагнитным изолятором.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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

Публикации

1. Амудсен Мортен, Бобкова И.В., Камра Акашдип Magnonic spin Joule heating and rectification effects Physical Review B, 106, 144411 (год публикации - 2022) https://doi.org/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) https://doi.org/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) https://doi.org/10.3762/bjnano.13.97