Введение к работе
Актуальность темы
Взаимодействие двух антагонистических явлений сверхпроводимости и ферромагнетизма в сплавах и интерметаллических соединениях находится в центре внимания исследователей уже в течение 40 лет. Антагонистическими эти два состояния вещества оказываются вследствие того, что ферромагнетизм требует параллельного взаимного расположения электронных спинов в то время как сверхпроводимость - их антипараллельной ориентации. В последнее время особый интерес вызывает исследование взаимодействия этих . двух явлений в тонкопленочных слоистых гетероструктурах сверхпроводник/ферромагнетик (С/Ф) - эффект близости С/Ф [1]. Было установлено, что при контакте сверхпроводящей пленки с ферромагнитной происходит сильное подавление температуры сверхпроводящего перехода Тс, гораздо сильнее, чем в случае контакта сверхпроводящей пленки, например, с пленкой из немагнитного нормального металла. Вместе с тем было обнаружено, что Тс может проявлять осцилляционную зависимость от толщины ферромагнитного слоя. В настоящее время эти явления достаточно хорошо поняты. Они связаны с проникновением сверхпроводящего порядка в ферромагнитный слой. В то же время можно ожидать и обратное явление, а именно, проникновение ферромагнитного порядка в сверхпроводящий слой (обратный эффект близости). Этот эффект был недавно предсказан Бержерет и др. [2]. Причину того, почему магнитный порядок может проникнуть в сверхпроводник, можно легко понять на качественном уровне. Этот эффект возникает в связи с тем, что куперйвские пары имеют размер порядка &. Предположим, что ферромагнитный слой тоньше, чем &> и допустим, что куперовские пары являются жесткими объектами с противоположно направленными спинами электронов. Очевидно, что пары, полностью находящиеся % в сверхпроводнике, не дают вклада в магнитный момент сверхпроводника. В то же \ > время существуют пары, расположенные в пространстве более сложным образом, в которых один электрон находится в сверхпроводящем слое, а другой - в ферромагнитном. Именно такие пары дают вклад в магнитный момент
сверхпроводника. Направление вдоль магнитного момента М в ферромагнетике является предпочтительным для электрона пары, расположенного в ферромагнитном слое. Данное обстоятельство вынуждает спин другого электрона куперовской пары быть противоположным М. Это означает, что все такие пары дают вклад в магнитный момент сверхпроводника. При этом направление намагниченности электронов в этой области противоположно направлению магнитного момента М в ферромагнетике. Теоретически при малой толщине ферромагнитной пленки (тоньше, чем глубина проникновения сверхпроводящего порядка в ферромагнитный слой) индуцированный магнитный момент в сверхпроводнике должен полностью компенсировать магнитный момент электронов проводимости в ферромагнитном слое, поэтому этот эффект (обратный эффект близости) также называют эффектом спинового экранирования.
Эта картина, предсказанная теоретически, очень важна для понимания эффекта близости С/Ф в целом. В связи с этим, экспериментальная проверка теории Бержерет и др. [2] может оказаться одним из последних принципиальных шагов в изучении взаимодействия сверхпроводимости и ферромагнетизма в тонкопленочных гетероструктурах С/Ф. К моменту начала данной работы никаких однозначных экспериментальных подтверждений эффекта спинового экранирования в литературе не было.
Рассмотрение на более формальном уровне показывает, что эффект спинового экранирования пропорционален уменьшению спиновой восприимчивости электронов проводимости С-слоя при сверхпроводящем переходе. В свою очередь, спиновая восприимчивость электронов проводимости является физической причиной сдвига Найта линии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в металлах. Таким образом, в ЯМР эффекты спинового экранирования проявятся в меру уменьшения найтовского сдвига при переходе системы в сверхпроводящее состояние.
Целью данной диссертационной работы являлось обнаружение эффекта спинового экранирования и изучение его особенностей в слоистых гетероструктурах сверхпроводник/ферромагнетик.
В соответствии с указанными целями были поставлены следующие задачи: создание высокочувствительного стационарного спектрометра ЯМР; выбор материалов в качестве сверхпроводящих и ферромагнитных слоев; исследование сигналов ЯМР от ядер сверхпроводящих слоев в тонкопленочных системах С/Ф.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- Разработан оригинальный сверхчувствительный спектрометр ЯМР, позволяющий
детектировать сигнал ЯМР от тонких пленок ванадия или ниобия толщиной в
несколько десятков нанометров.
Обнаружено, что сдвиг Найта в ванадии уменьшается с переходом в сверхпроводящее состояние. Этот результат противоречит ранее полученным экспериментальным результатам Р. Ноера и В. Найта [3].
По результатам измерений ЯМР на ядрах 51V в трехслойных системах Pdi. xFex/V/Pd|.,(Fex и Ni/V/Ni впервые обнаружен эффект проникновения спиновой поляризации в сверхпроводящий слой в тонкопленочных гетероструктурах сверхпроводник/ферромагнетик (эффект спинового экранирования).
Научная и практическая значимость работы
Полученные результаты имеют фундаментальный характер и могут быть использованы при создании спинового клапана для сверхпроводящего тока. Понимание обнаруженного явления проникновения спиновой поляризации в сверхпроводящий слой позволит детально выяснить микроскопическую природу функционирования спинового клапана для сверхпроводящего тока, основанного на эффекте близости сверхпроводник/ферромагнетик.
Достоверность -работы определяется: разносторонней характеризацией исследуемых образцов современными методами с использованием уникального оборудования для проведения измерений; многократным тестированием созданного ЯМР спектрометра на образцах с известными резонансными параметрами; всесторонним анализом полученных экспериментальных результатов с привлечением всех существующих теоретических подходов.
На защиту выносятся:
- Оригинальный стационарный спектрометр ЯМР, обладающий сверхвысокой
чувствительностью и работающий на низкой частоте (6 МГц).
Результаты исследований ЯМР по изучению поведения найтовского сдвига в ванадии при переходе в сверхпроводящее состояние. Обнаружено, что при переходе в сверхпроводящее состояние сдвиг Найта в ванадии уменьшается. Этот результат противоречит более ранним экспериментальным результатам Р. Ноера и В. Найта.
Результаты измерений ЯМР на ядрах 5,V в тонкопленочных гетероструктурах сверхпроводник/ферромагнетик (Pdi.xFex/V/Pdt.xFex и Ni/V/Ni), в которых было обнаружено уширение высокополевого крыла линии ЯМР. Анализ полученных данных показал, что обнаруженный эффект является экспериментальным свидетельством эффекта спинного экранирования.
Личный вклад автора: участие в разработке и изготовлении оригинального высокочувствительного спектрометра ЯМР; выбор режимов напыления пленок и приготовление образцов; характеризация образцов методами малоуглового рентгеновского отражения и SQUID-магнитометрии; измерение температуры сверхпроводящего перехода и критических магнитных полей у приготовленных образцов; проведение измерений ЯМР; обработка полученных результатов и участие в их анализе и интерпретации.
Апробация работы
Результаты работы были представлены на следующих научных конференциях: 9-ый Международный Симпозиум «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» (Ростов-на-Дону, п. Лоо, 2006); Международная Конференция «EUROMAR magnetic resonance conference» (Санкт Петербург, 2008); XIII Международный Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2009); Итоговая научная конференция за 2008 год (Казанский научный центр РАН, 2008).
Публикации
Результаты работы отражены в трех статьях в рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК, а также в материалах и тезисах вышеперечисленных конференций.
Структура и объем диссертации
