Российские ученые узнали, как магноны влияют на сверхпроводимость

Ученые из МФТИ и ВШЭ промоделировали влияние магнонов на сверхпроводимость в тонкопленочных гетероструктурах, состоящих из ферромагнитных и сверхпроводящих слоев (F/S) ферромагнетика и сверхпроводника. Оказалось, что в результате этого влияния меняются электронные свойства сверхпроводника, которые важны для приложений F/S гетероструктур в такой перспективной области исследований, как спинтроника: например, в создании термоэлектрических устройств, основанных на гигантском спин-зависящем эффекте Зеебека.

Исследованиеопубликовано в журнале Physical Review B. Исследования, связанные с взаимным влиянием магнетизма и сверхпроводимости, имеют долгую и динамичную историю, начавшуюся с первых открытий о сверхпроводниках и ферромагнетиках. Одним из значимых шагов в этой области стало открытие так называемой спин-расщепленной сверхпроводимости — квантового явления, которое является результатом воздействия на сверхпроводник ферромагнитного материала или внешнего магнитного поля. Наличие такого расщепления плотности состояний сверхпроводника играет главную роль, например, в упомянутом выше гигантском спин-зависящем эффекте Зеебека.

В последние годы внимание ученых было сосредоточено на изучении спинтроники, где магнетизм и сверхпроводимость объединяются для создания новых функциональных материалов и устройств с повышенной производительностью. Исследования в этой области достигли нового уровня благодаря достижениям в области атомной и молекулярной физики, нанотехнологий и компьютерного моделирования.

Однако долгое время влияние магнонов на сверхпроводящую плотность состояний и эффект гибридизации квазичастиц оставалось недостаточно изученным. Проблема изучения электрон-магнонного взаимодействия в F/S гетероструктурах и его влияния на спин-расщепленную плотность состояний требовала глубокого анализа и новых подходов.

Для описания взаимодействия электронов с магнонами ученые использовали формализм функций Грина, а также численные методы. Оказалось, что процессы переворота спина, поддерживаемые магнонами, могут уменьшать спиновое расщепление и вызывать значительное уширение ветвей спектров квазичастиц. Под действием магнонов структура плотности состояний претерпела значительные изменения. Внешние когерентные пики стали более широкими, тогда как внутренние пики остались неизменными. Данное уширение, обусловленное магнонными процессами, отличается от известных механизмов, влияющих на все пики, таких как спин-орбитальное взаимодействие или неупругое рассеяние на примесях. Кроме того, были произведены численные расчеты при разных значениях температуры, что позволило проследить усиление эффекта при увеличении количества термически возбужденных магнонов.

«Мотивацией этой работы стала попытка объяснения необычных экспериментальных результатов. В эксперименте Э. Страмбини и соавторов наблюдалось нетипичное поведение спин-расщепленной плотности состояний в F/S структурах. Ранее считалось, что внешние пики этой плотности состояний должны быть выше, чем внутренние. В работе же Э. Страмбини и соавторов результаты показывали обратную ситуацию. Мы выяснили, что электрон-магнонного взаимодействие как раз и приводит к такому эффекту, — рассказал Александр Бобков, старший научный сотрудник Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ. — Результаты нашей работы могут помочь в разработке сверхчувствительных детекторов и эффективных термоэлектрических устройств».

Проведенное российскими физиками исследование, включая детальный анализ локальной плотности состояний с учетом электрон-магнонного взаимодействия, дает возможность глубже понять взаимодействия в двухслойных тонкопленочных системах ферромагнетик-сверхпроводник и способствует развитию области разработки спинтронных устройств. Полученные результаты не только расширили текущее понимание о том, как может выглядеть спин-расщепленная сверхпроводимость, но и могут стать основой для новых теоретических и экспериментальных исследований в этой области науки. Работа поддержана Российским научным фондом.

_{Опубликовано при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий» № 075-15-2024-571.}