Interfejs między nadprzewodnikiem (S) a ferromagnetykiem (F) jest gorącym punktem w fizyce materii skondensowanej. Sprzężenie między nimi wytwarza bardziej interesujące zjawiska fizyczne. Efekt magnetycznego sąsiedztwa na interfejsie S/F jest spowodowany wymienną interakcją między spinami elektronów po obu stronach interfejsu, co prowadzi do tłumienia porządku magnetycznego lub pojawienia się niekonwencjonalnego nadprzewodnictwa. Gdy materiał magnetyczny znajduje się w bliskim sąsiedztwie nadprzewodnika, pole magnetyczne wchodzi w obszar zaledwie kilku nanometrów wewnątrz nadprzewodnika i niszczy pary Coopera, co powoduje zmiany przestrzenne w nadprzewodzącym zachowaniu interfejsu i wpływa na makroskopowe właściwości fizyczne materiału po obu stronach. Obecnie nadprzewodząca spintronika stała się wschodzącą dziedziną, która odgrywa ważną rolę w realizacji logiki spinowej bez rozpraszania i technologii magazynowania.
Obecnie mechanizm leżący u podstaw efektu bliskości magnetycznej na interfejsie S/F w różnych układach materiałowych jest kontrowersyjny. Wcześniej zaobserwowano, że temperatura przejścia nadprzewodzącego oscyluje wraz z grubością warstwy ferromagnetycznej w heterozłączach S/F złożonych ze stopów metali, co sugeruje, że może istnieć specjalny tryb transmisji fal parowania nadprzewodzącego w tym układzie ze względu na silne pole wymiany. Wraz z rozwojem zaawansowanych technik przygotowywania cienkich warstw, naukowcy zaczęli badać heterointerfejsy S/F monokrystalicznego tlenku, takie jak interfejs nadprzewodnik wysokotemperaturowy (YBa2Cu3O7)/spinowo spolaryzowany półmetaliczny ferromagnetyk (La1-xCaxMnO3). Stwierdzono, że interfejs ma zmniejszony moment magnetyczny i spinową antyparalelizm jonów metali przejściowych po obu stronach interfejsu i jest pod wpływem stanu elektronicznego warstwy magnetycznej, grubości warstwy S i nierównomiernej struktury domenowej. Obserwując obniżenie temperatury przejścia nadprzewodzącego, zwiększenie szerokości przejścia i właściwości zaworu spinowego w heterozłączach S/F, naukowcy odkryli, że ten konkretny typ interfejsu może okazać się korzystny w rozwoju nadprzewodzących urządzeń spintronicznych.
Guo Erjia, badacz z Instytutu Fizyki Chińskiej Akademii Nauk, i Jin Kuijuan, pracownik naukowy Chińskiej Akademii Nauk, przygotowali heterozłącza Fe3N/VN na podłożach szafirowych, wykorzystując technikę osadzania laserowego z impulsami wspomaganą przez źródło atomowe azotu o częstotliwości radiowej (RFN), i scharakteryzowali ich struktury. Profile dyfrakcji rentgenowskiej wykazały, że zarówno warstwy Fe3N, jak i VN rosły wzdłuż<111>faza krystaliczna i miała dobrą jakość krystaliczną. Wyniki skaningowej transmisyjnej mikroskopii elektronowej o wysokiej rozdzielczości pokazują, że interfejsy między podłożem szafirowym a heterozłączami i heterozłączami charakteryzują się płaskością poziomu atomowego, uporządkowanym układem atomów i niskim mieszaniem chemicznym. W tym badaniu wykorzystano charakterystykę elektryczną i magnetyczną w niskich temperaturach, aby scharakteryzować rezystancję i moment magnetyczny heterozłączy Fe3N/VN jako funkcję temperatury w stosunku do pola magnetycznego. Stwierdzono, że temperatura przejścia nadprzewodzącego heterozłącza Fe3N/VN zmniejsza się o około 1,5 K, a zarówno długość koherencji Ginzburga-Landaua, jak i średni zakres swobodny zwiększają się o około 20%, pod wpływem ferromagnetycznego Fe3N. Poniżej pola niskiego i temperatury przejścia nadprzewodzącego moment magnetyczny nasycenia, pole koercji i pole krytyczne nadprzewodzące heterozłącza Fe3N/VN wzrastają, co sugeruje, że może istnieć netto moment magnetyczny wprowadzony przez efekt sąsiedztwa Fe3N w warstwie międzyfazowej VN.
Ponadto w badaniu tym wykorzystano spektrometr neutronowy China Scattered Neutron Source do pomiaru spolaryzowanych widm odbicia neutronów heterozłączy Fe3N/VN. Wykazano, że w obszarze około 5 nm w pobliżu interfejsu w warstwie VN występuje moment magnetyczny netto wynoszący około 60,3 ± 2,4 kA/m. Jednocześnie kierunek tego momentu magnetycznego jest zgodny z kierunkiem momentu magnetycznego w cienkich warstwach ferromagnetycznych. Stwierdzono, że interfejs VN ma moment magnetyczny netto tylko wtedy, gdy VN znajduje się w stanie nadprzewodzącym, co wskazują spolaryzowane widma odbicia neutronów ze zmienną temperaturą i polem magnetycznym. Ta anomalna cecha magnetyczna interfejsu różni się od poprzedniego prawa antyrównoległego wyrównania spinów na interfejsach tlenku YBa2Cu3O7/La1-xCaxMnO3 i interfejsach stopów. Obliczenia pierwszych zasad wykazały, że interfejs Fe3N/VN ma zjawisko rekonstrukcji orbitalu d i międzyfazowego transferu ładunku, a także, że spiny między jonami metali przejściowych spełniają sprzężenie bezpośredniej wymiany Heisenberga, a stała sprzężenia J wynosi około 4,28 meV. W tej pracy obserwowano unikalny magnetyczny efekt najbliższego sąsiada w całkowicie azotkowych heterointerfejsach nadprzewodzących/ferromagnetycznych i jest ona przydatna do budowy nadprzewodzących urządzeń spintronicznych w Praca odegrała zasadniczą rolę w budowie nadprzewodzących urządzeń spintronicznych, takich jak potrójne nadprądowe zawory spinowe i złącza Josephsona „π”.
Powiązane wyniki badań zostały opublikowane w National Science Review pod tytułem Syntropic spin alignment at the interface between ferromagnetic and superconducting nitrides. Praca ta była wspierana przez „Quantum Regulation and Quantum Information” Special Project of the National Key Research and Development Program of China, Joint Fund for Regional Innovation and Development and the Original Exploration Program of the National Natural Science Foundation of China, Stable Support Program for Young Teams in Basic Research i Special Assistantship Program of the Chinese Academy of Sciences oraz Postdoctoral Fellowship of China, między innymi.
