铁磁/超导异质结构的自旋动力学研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:javajava2010
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铁磁/超导异质结构由于不同自旋序之间的相互竞争会展现出一系列新奇的物理特性。包括LOFF态,Andreev散射,三重态超导库伯对等等。而三重态的超导库伯对打破了人们对传统库伯对的理念,使对超导体的认识进入了一个全新的领域。自从2001年铁磁/超导界面三重态超导库伯对被理论预言以来便吸引了大量科研工作者的关注。经过十几年的努力取得了一些列的研究成果。至此,关于三重态库伯对的存在已经有比较完备的理论体系和比较充分的实验证据。但是现存的这些实验证据都是基于三重态超导电流的长程穿透性展开的,并没有对三重态库伯对最重要的一个特征-净自旋进行表征。本论文利用铁磁共振技术对铁磁/超导(Ni80Fe20/Nb)多层膜异质结的自旋动力学进行了研究,期望得到三重态对铁磁层自旋动力学调控的一些实验证据。另外,论文还利用电子自旋共振技术对HgCr2Se4单晶的磁极化子的演化过程进行了研究。并用三个特征温度T*,Tth和Tmin对其进行了表征。论文主要包括以下三部分的内容:1,通过对不同结构的Nb/Ni80Fe20超导/铁磁异质结进行变温铁磁共振实验发现,在Nb(100 nm)/Ni80Fe20(20 nm)/Nb(100 nm)三层膜构成的铁磁约瑟夫森结中,当温度在Nb的超导转变温度之上时,Ni80Fe20合金的铁磁共振峰Hr不随温度的变化而改变。而在Tc以下时,随着温度的降低,Hr逐渐向低场方向移动。在两个对比实验Nb(100 nm)/Ni80Fe20(20 nm)双层膜以及Nb(100 nm)/Ni80Fe20(20nm)/MgO(10 nm)/Nb(100 nm)多层膜结构中,共振场Hr在Tc上下均不发生明显变化。这说明超导Nb对Ni80Fe20自旋动力学的影响不是通过迈斯纳效应进行的。我们认为这可能是由于在铁磁约瑟夫森结系统中,进动的磁矩产生了自旋极化的三重态超导电流,当其流经约瑟夫森结时对铁磁层的磁化强度产生了一个自旋转移力矩的作用,它和外磁场产生的力矩方向相同,两者共同维持磁化强度的进动。因此,在保持微波频率不变的情况下,发生共振时所需外磁场会相应地减小。2,通过对具有不同铁磁层厚度的Nb(100 nm)/Ni80Fe20(5 nm,10 nm,20 nm,30nm)/Nb(100 nm)铁磁约瑟夫森结的自旋动力学进行研究发现,在Tc以下,铁磁共振场Hr的移动幅度随着铁磁层厚度的增加而增加。我们基于交变的三重态超导电流给出了两种可能的解释:其一是铁磁层厚度越大,交变的三重态隧穿电流密度越大。假设三重态超导电流的隧穿频率等于微波频率(约9 GHz)固定不变,则结区厚度越大,意味着库伯对的隧穿速度越大,相应的隧穿电流越大,由此产生的自旋转移力矩越大,导致共振时所需外磁场大小随铁磁层厚度的增加而减小。其二是铁磁层厚度的变化改变了结两端超导波函数之间的相位差导致超导电流呈正弦式变化。铁磁层厚度从5 nm增加到30 nm的过程中相位差恰好位于[0,?2]区间内并逐渐增大,电流密度随之增大,导致共振场移动幅度随着铁磁层厚度的增加而增加。3,利用电子自旋共振(ESR)谱对HgCr2Se4单晶内部的磁关联进行了研究。将ESR线宽ΔHpp,吸收强度I等参数与电导σ,磁化强度M等进行对比发现磁极化子的演化过程对电导的变化起着至关重要的作用。在进入铁磁区Tc之前,磁极化子的演化可以用三个特征温度:T*,Tth和Tmin进行表征。其中Tmin≈210K,表示共振线宽ΔHpp最窄的温度。在此温度之上,Cr3+离子3d t2g轨道的电子与Hg原子6s电子通过s-d交换相互作用发生耦合,形成互相孤立的小磁极化子。温度从Tmin逐渐降低,小磁极化子的大小或者数量逐渐增加,关联长度也逐渐增加,当温度到达Tth≈175 K时,磁极化子长大到一定的阈值,彼此之间开始形成逾渗通道。尤其是处于小极子外壳中的自旋会由于相互关联发生倾斜。继续降温,不同磁极化子之间的关联作用进一步增强,温度降低到T*≈120 K时,各磁极化子开始发生重叠,相应的ΔHpp开始迅速变大。直到降低到Tc≈106 K时,样品内部的磁极化子完全退局域化,完成顺磁绝缘体向铁磁金属态的转变。
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