Российские исследователи выяснили, как магноны воздействуют на сверхпроводимость.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review B. Темы, касающиеся взаимного воздействия магнетизма и сверхпроводимости, имеют богатую и активную историю, начавшуюся с первых открытий в области сверхпроводников и ферромагнетиков. Одним из ключевых достижений в этой сфере стало открытие спин-расщепленной сверхпроводимости — квантового явления, возникающего под воздействием ферромагнитного материала или внешнего магнитного поля на сверхпроводник. Наличие такого расщепления в плотности состояний сверхпроводника играет важную роль, например, в гигантском спин-зависящем эффекте Зеебека, упомянутом ранее.

В последние годы исследователи сосредоточили внимание на спинтронике, где магнетизм и сверхпроводимость объединяются для создания новых функциональных материалов и устройств с улучшенными характеристиками. Достижения в области атомной и молекулярной физики, нанотехнологий и компьютерного моделирования способствовали значительному прогрессу в этой области.

Тем не менее, долгое время влияние магнонов на сверхпроводящую плотность состояний и эффект гибридизации квазичастиц оставались недостаточно изученными. Изучение взаимодействия электронов и магнонов в F/S гетероструктурах и его влияние на спин-расщепленную плотность состояний требовало глубокого анализа и новых подходов.

Для описания взаимодействия электронов с магнонами ученые применяли формализм функций Грина и численные методы. Исследования показали, что процессы переворота спина, инициируемые магнонами, могут уменьшать спиновое расщепление и вызывать значительное уширение спектров квазичастиц. Под воздействием магнонов структура плотности состояний претерпела заметные изменения. Внешние когерентные пики стали шире, в то время как внутренние пики остались без изменений. Это уширение, вызванное магнонными процессами, отличается от известных механизмов, таких как спин-орбитальное взаимодействие или неупругое рассеяние на примесях, которые влияют на все пики. Кроме того, были проведены численные расчеты при различных температурах, что позволило наблюдать усиление эффекта с увеличением числа термически возбужденных магнонов.

«Мотивацией данной работы послужила попытка объяснить необычные экспериментальные результаты. В эксперименте Э. Страмбини и его коллег наблюдалось аномальное поведение спин-расщепленной плотности состояний в F/S структурах. Ранее считалось, что внешние пики этой плотности должны быть выше, чем внутренние. Однако результаты работы Э. Страмбини и его соавторов показали противоположное. Мы выяснили, что именно электрон-магнонное взаимодействие приводит к такому эффекту, — отметил Александр Бобков, старший научный сотрудник Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ. — Результаты нашей работы могут способствовать разработке сверхчувствительных детекторов и эффективных термоэлектрических устройств».

Исследование, проведенное российскими физиками, включая детальный анализ локальной плотности состояний с учетом электрон-магнонного взаимодействия, позволяет глубже понять взаимодействия в двухслойных тонкопленочных системах ферромагнетик-сверхпроводник и способствует развитию области спинтронных устройств. Полученные результаты не только расширили текущее понимание спин-расщепленной сверхпроводимости, но и могут стать основой для новых теоретических и экспериментальных исследований в этой научной области. Работа поддержана Российским научным фондом.