Джозефсоновские контакты с ферромагнетиками

Джозефсоновский эффект является фундаментальным проявлением квантовой когерентности в сверхпроводниках. В классическом варианте он наблюдается в контакте между двумя сверхпроводниками через тонкий изолятор или нормальный металл. Введение ферромагнетика в состав барьера значительно усложняет физику эффекта за счет спиновой поляризации электронов и обменного взаимодействия. Такие системы обозначаются как S–F–S структуры, где S — сверхпроводник, F — ферромагнетик.

Сверхпроводимость и ферромагнетизм: конкурирующие взаимодействия

Сверхпроводимость формируется за счет образования куперовских пар с противоположными спинами, тогда как ферромагнетизм стремится выровнять спины электронов параллельно. В результате S–F–S контакт демонстрирует следующие особенности:

  • Спин-зависимое расщепление энергии: ферромагнитный слой вызывает расщепление Ферми-сферы для ↑ и ↓ спинов, что влияет на фазу куперовских пар, проходящих через F.
  • Промежуточное затухание амплитуды: амплитуда куперовской пары уменьшается по экспоненте с увеличением толщины ферромагнетика, описывается длиной затухания ξF, которая меньше, чем в нормальном металле.
  • Осцилляции критического тока: критический ток Ic через контакт проявляет осцилляции в зависимости от толщины ферромагнетика, что связано с пространственной фазой куперовской пары внутри F.

Физическая модель S–F–S контакта

Для теоретического описания S–F–S структур используют обобщенные уравнения Горкова и подходы квантовой теории поля. Ключевые элементы модели:

  1. Матрица Грин-функций: учитывает как обычные, так и аномальные компоненты, включая спиновую структуру.
  2. Обменное поле h: приводит к расщеплению энергии для разных спинов, вводится в гамильтониан ферромагнетика.
  3. Проекция фаз куперовских пар: амплитуда пары внутри F приобретает пространственную зависимость ψ(x) ∼ exp (−x/ξF)cos (x/ξF), что объясняет переход между 0 и π состояниями.

Переходы 0–π

Одной из ключевых особенностей S–F–S контактной системы является возможность перехода между 0 и π состояниями, когда фаза суперпроводников меняется на π при определенной толщине ферромагнетика или температуры:

  • 0-состояние: стандартная фаза между сверхпроводниками ϕ = 0, ток растет с увеличением напряжения.
  • π-состояние: фаза ϕ = π, что приводит к инверсии критического тока.
  • Физический механизм: осцилляции куперовской пары в ферромагнитном слое приводят к смене знака интегрального тока.

Такие переходы находят применение в квантовых логических элементах и устройствах для спинтронной логики.

Влияние магнитной анизотропии и спиновой поляризации

Ферромагнитный слой обладает собственной магнитной анизотропией, которая влияет на:

  • Направление обменного поля h и, как следствие, фазовую структуру куперовской пары.
  • Сильное спин-зависимое рассеяние, увеличивающее декогеренцию.
  • Генерацию спин-триплетных куперовских пар при наличии неколлинеарной магнитной структуры или интерфейсной спиновой активности.

Спин-триплетные пары могут проникать на большие расстояния в ферромагнетик, что открывает путь для создания «длинных» S–F–S джозефсоновских контактов с малым затуханием критического тока.

Экспериментальные наблюдения

Ключевые экспериментальные признаки включают:

  • Осцилляции критического тока Ic(dF) в зависимости от толщины F, подтверждаемые множеством групп с использованием Ni, Co и их сплавов.
  • Температурный контроль 0–π перехода, наблюдаемый при изменении температуры или магнитного поля.
  • Появление спин-триплетных компонентов, выявляемое через аномально длинное проникновение суперкондентности в ферромагнетик.

Современные эксперименты используют методики электронного лучевого литографирования для точного контроля толщины F и ориентации его магнитной структуры.

Применение в спинтронике

Джозефсоновские контакты с ферромагнетиками служат основой для:

  • Сверхпроводящих спинтронных логических элементов, где управление фазой ϕ позволяет реализовать квантовые биты.
  • Сверхпроводящих магниточувствительных устройств типа SQUID с ферромагнитными барьерами.
  • Создания устройств с длинной когерентностью спиновых токов, где тройные куперовские пары обеспечивают дальнее переносение спина.

Эти эффекты особенно интересны для интеграции с топологическими материалами и квантовыми системами на базе майорановых фермионов, что открывает перспективы для будущей сверхпроводящей квантовой электроники.

Оглавление