Исследователи обнаружили способ контроля над сверхпроводимостью.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Materials. История изучения взаимодействий между ферромагнитными и сверхпроводящими материалами насчитывает несколько десятилетий. Сверхпроводимость и ферромагнетизм традиционно рассматриваются как конкурирующие состояния. Исследования давно показали, что в трехмерных системах (содержащих как минимум десятки атомарных слоев) присутствие ферромагнитных материалов может подавлять сверхпроводимость.

Новое развитие в области физики эффектов близости было вызвано открытием двумерных материалов (часто называемых ван-дер-ваальсовыми). Эти материалы, обладающие уникальными физическими свойствами, позволяют создавать гетероструктуры с особыми физическими характеристиками, которые могут быть использованы в высоких технологиях, таких как квантовые компьютеры и современные сенсоры.

С момента открытия графена выпускниками Физтеха Андреем Геймом и Константином Новоселовым, физики начали активно изучать электрические и магнитные свойства двумерных материалов. Недавние исследования укрепили интерес к ван-дер-ваальсовым гетероструктурам, показывая, как проводящие свойства электронов могут влиять на физические характеристики этих систем.

Новая работа ученых из МФТИ и их коллег ставит перед собой амбициозную задачу: выяснить, как можно управлять магнитными и сверхпроводящими эффектами в таких структурах, а также какие открытия могут быть сделаны в области спинтроники.

Ученые сосредоточились на эффекте близости в бислойных 2D гетероструктурах Ван-дер-Ваальса, используя в качестве примера сверхпроводник NbSe2 и ферромагнетик VSe2. Проблема взаимодействия между магнитными и сверхпроводящими свойствами в ван-дер-ваальсовых гетероструктурах представляет особый интерес, поскольку граница раздела между материалами фактически охватывает всю гетероструктуру.

Эффекты близости возникают из взаимного влияния электронов из различных материалов друг на друга. Даже в трехмерных гетероструктурах взаимодействие между слоями может значительно варьироваться в зависимости от их толщины и природы материалов. В случае двумерных гетероструктур разнообразие возможных эффектов становится еще более обширным.

Кроме того, двумерные материалы имеют интересную особенность: их электронные свойства могут значительно регулироваться с помощью напряжения затвора. В контексте гетероструктур (слоистых структур из различных материалов) этот метод позволяет управлять взаимодействием между слоями. Моделируя многослойные системы с использованием электронных спектров отдельных слоев, исследователи выяснили, что влияние ферромагнетиков на сверхпроводимость может быть значительно усилено за счет применения напряжения затвора.

В ходе исследования ученые провели моделирование системы, используя гамильтониан сильной связи, что позволило проанализировать зависимости сверхпроводящего параметра порядка от обменного поля ферромагнитного слоя. Подробные расчеты электронных спектров были выполнены с помощью метода теории функционала плотности.

«Мы представили результаты, которые показывают, как можно не только включать и выключать сверхпроводимость, но и управлять спиновым расщеплением в электронных спектрах. Более того, наличие одновременно спинового расщепления и сильной спин-орбитальной связи открывает новые перспективы для создания электрически управляемых двумерных зеемановских (спиново расщепленных) сверхпроводников», — пояснил Григорий Бобков, сотрудник лаборатории фотоэлектронной спектроскопии квантовых функциональных материалов МФТИ. — «Изменяя приложенное напряжение, мы получаем возможность изменять амплитуду и знак спинового расщепления в сверхпроводящих спектрах, что открывает новые интересные возможности в области спинтроники и спиновой калоритроники».

«Рассматривая конкретный пример гетероструктуры из NbSe2 и VSe2, мы исследовали физику эффектов близости в 2D ван-дер-ваальсовых гетероструктурах. Мы обнаружили, что электронные спектры, а следовательно, и сверхпроводящие характеристики зависят от силы взаимодействия между слоями. Нам удалось наглядно продемонстрировать, как изменение химических потенциалов слоев влияет на поведение электронных спектров и на амплитуду и знак спинового расщепления», — рассказал Александр Бобков, старший научный сотрудник Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ. — «Результаты нашей работы подчеркивают потенциал создания высокоэффективных термоэлектрических устройств и открывают новые перспективы в области низко диссипативной спинтроники».

Полученные результаты показали, что поведение системы может иметь разнообразные характеристики в зависимости от химических потенциалов и степени гибридизации между слоями. Они предоставляют возможность не только углубить понимание физики взаимодействий в многослойных гетероструктурах, но и открывают новые горизонты в проектировании высокоэффективных устройств на основе 2D-материалов для применения в спинтронике.

Работа была поддержана проектом Российского Научного Фонда.