Вчені продемонстрували шлях до керування надпровідністю.

Дослідження опубліковано в журналі Physical Review Materials. Історія вивчення взаємодії між ферромагнітними та надпровідниковими матеріалами налічує кілька десятиліть. Надпровідність і ферромагнетизм традиційно сприймаються як суперечливі стани. Дослідження вже давно показали, що в тривимірних (які містять щонайменше десятки атомарних шарів) системах присутність ферромагнітів може пригнічувати надпровідність.

Новий поштовх до розвитку фізики ефектів близькості дало відкриття двовимірних матеріалів (часто також називають ван-дер-ваальсовими). Ці матеріали, що мають унікальні фізичні властивості, дозволяють створювати гетероструктури, які пропонується використовувати в високотехнологічних застосуваннях, таких як квантові комп'ютери та передові сенсори.

З моменту відкриття графену випускниками Фізтеха Андрієм Геймом та Константином Новоселовим, фізики почали активно вивчати електричні та магнітні властивості двовимірних матеріалів. Недавні дослідження зміцнили існуючий інтерес до ван-дер-ваальсових гетероструктур, показуючи, як властивості провідних електронів можуть керувати фізичними характеристиками цих систем.

Нова робота вчених з МФТІ з колегами ставить перед собою амбіційну мету: з'ясувати, як можна керувати магнітними та надпровідними ефектами в таких структурах, а також до яких відкриттів ці процеси можуть призвести в області спінтроніки.

Вчені зосередили свою увагу на ефекті близькості в біслойних 2D гетероструктурах Ван-дер-Ваальса, використовуючи в якості прикладу надпровідник NbSe2 і ферромагнетик VSe2. Проблема взаємодії між магнітними та надпровідними властивостями в ван-дер-ваальсових гетероструктурах представляє особливий інтерес через те, що межа розділу між матеріалами по суті є вся гетероструктура.

Ефекти близькості є явищами, що виникають з взаємного впливу електронів з різних матеріалів один на одного. Навіть у тривимірних гетероструктурах взаємодія між різними шарами може сильно варіюватися в залежності від їх товщини та природи матеріалів. У випадку двовимірних гетероструктур різноманіття можливих ефектів стає ще більшим.

Крім того, двовимірні матеріали мають цікаву особливість – їх електронні властивості можуть значно регулюватися шляхом застосування напруги затвора. У контексті гетероструктур (шаруватих структур з різних матеріалів) цей метод дозволяє управляти взаємодією між шарами. За допомогою моделювання багатошарових систем з використанням електронних спектрів окремих шарів, дослідники з'ясували, що вплив ферромагнітів на надпровідність може бути значно посилено за рахунок застосування напруги затвора.

У ході роботи вчені провели моделювання системи з використанням гамільтоніана сильної зв'язку, що дозволило проаналізувати залежності надпровідного параметра порядку від обмінного поля ферромагнітного шару. Детальні розрахунки електронних спектрів були проведені за допомогою методу теорії функціонала густини.

«Ми представили результати, які показують, як можливо не лише вмикати та вимикати надпровідність, але й управляти спіновим розщепленням в електронних спектрах. Більше того, наявність одночасно спінового розщеплення та сильної спін-орбітальної зв'язку відкриває перспективи для створення електрично керованих двовимірних зееманівських (спіново розщеплених) надпровідників, — пояснив Григорій Бобков, співробітник лабораторії фотоелектронної спектроскопії квантових функціональних матеріалів МФТІ. — При цьому, змінюючи прикладену напругу, ми отримуємо можливість змінювати амплітуду та знак спінового розщеплення в надпровідних спектрах, що відкриває нові цікаві перспективи в області спінтроніки та спінової калоритроніки».

«Розглядаючи конкретний приклад гетероструктури з NbSe2 та VSe2, ми вивчили фізику ефектів близькості в 2D ван-дер-ваальсових гетероструктурах. Ми отримали, що електронні спектри, і, як наслідок, надпровідні характеристики, залежать від сили взаємодії між шарами. Нам вдалося наочно продемонструвати, як зміна хімічних потенціалів шарів призводить до зміни поведінки електронних спектрів, а також до зміни амплітуди та знака спінового розщеплення, — розповів Олександр Бобков, старший науковий співробітник Центру перспективних методів мезофізики та нанотехнологій МФТІ. — Результати нашої роботи підкреслюють потенціал створення високоефективних термоелектричних пристроїв та відкривають перспективи в низько дисипативній спінтроніці».

Отримані результати продемонстрували, що поведінка системи може мати різноманітні характеристики в залежності від хімічних потенціалів та ступеня гібридизації між шарами. Вони надають можливість не лише глибше зрозуміти фізику взаємодій у багатошарових гетероструктурах, але й відкривають нові можливості в проєктуванні високоефективних пристроїв на основі 2D-матеріалів з метою застосування в спінтроніці.

Робота була підтримана проєктом Російського Наукового Фонду.