Interplay of proximity effects in superconductor/ferromagnet heterostructures

Stellhorn, Annika; Brückel, Thomas; Wuttig, Matthias

doi:HT020884033

Interplay of proximity effects in superconductor/ferromagnet heterostructures = Wechselwirkungen zwischen Proximity Effekten in Supraleiter/Ferromagnet Heterostrukturen

Stellhorn, Annika^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Annika Stellhorn

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Brückel, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-03-22

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-03280
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/816569/files/816569.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
S/F proximity effects (frei) ; domain-wall-superconductivity (frei) ; magnetotransport (frei) ; neutron scattering techniques (frei) ; odd-frequency spin-triplet superconductivity (frei) ; thin film growth (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Proximity Effekte in Supraleiter(S)/Ferromagnet(F)-Heterostrukturen erfahren eine immer größer werdende Aufmerksamkeit sowohl in der Grundlagenforschung im Bereich neuer, exotischer Quantenzustände als auch in der Anwendung in Form von supraleitenden Spin-Valve-Strukturen und fluxonischen Elementen in Quantencomputern. Die inhomogene Magnetisierung des Ferromagneten führt zur Modifikation der supraleitenden Zustände, die sich in Streufeld-induzierter Domänensupraleitung oder direkter Austauschwechselwirkung manifestiert. In der vorliegenden Arbeit werden beide bisher separat betrachtete Phänomene - die Domänensupraleitung und die Erzeugung von Spin-Triplet Zuständen durch Austauschwechselwirkung - in Zusammenhang gebracht und deren Interaktion mit einem externen Magnetfeld präsentiert. Systematische Untersuchungen an Nb(S)/FePd(F) mit senkrecht-magnetischer Anisotropie (PMA) und lateraler Domänenstruktur werden im Hinblick auf drei Ziele durchgeführt: (i) Die Herstellung von Nb/FePd Schichtsystemen mit reproduzierbarer und kontrollierbarer Domänenkonfiguration mittels Molekularstrahlepitaxie. (ii) Der Vergleich von Streufeld-generierten und durch Austauschwechselwirkung vermittelten Proximity Effekten mit Hilfe von Magnetotransportmessungen. In Abhängigkeit von der Stärke und Orientierung eines extern angelegten Magnetfeldes können diese differenziert und für Systeme unterschiedlich starker PMA zugeordnet werden. (iii) Der Nachweis des inversen Effektes - ein Einfluss des supraleitenden Zustandes auf das magnetische Tiefenprofil von FePd - mittels Neutronenstreuung. Kleinwinkelstreuung unter streifendem Einfall (GISANS) gibt dabei Aufschluss über eine Änderung des lateralen-, sowie des Tiefenprofils der Magnetisierung. Die Anordnung der magnetischen Domänen kann über eine Variation der Wachstumsparameter reproduzierbar eingestellt werden. GISANS-Messungen bestätigen die Formierung von Abschlussdomänen an den Oberflächen der FePd-Schicht. Tieftemperaturmessungen im Bereich der supraleitenden kritischen Temperatur weisen eine Abhängigkeit der auftretenden Proximity Effekte von der Stärke der PMA und der Orientierung des externen Magnetfeldes auf. In Systemen mit hoher PMA wird eine streufeldgenerierte Domänenwandsupraleitung nachgewiesen. Ein Vergleich der Messergebnisse mit dem Ginzburg-Landau-Modell ergibt, dass diese analog zur Oberflächensupraleitung behandelt werden kann. Die Domänenwandsupraleitung wird begleitet von einem Anstieg der Domänenwandbreite im FePd, was mittels temperaturabhängiger polarisierter Neutronenstreuung nachgewiesen wird. Die Verwendung von GISANS mit Polarisationsanalyse eröffnet neue Möglichkeiten zur Bestimmung magnetischer Reorientierungen beim Übergang in die Supraleitung. In Systemen mit geringer magnetischer Anisotropie dagegen wird durch eine nicht-kollineare Magnetisierung im FePd die Bildung von Spin-Triplet Cooperpaaren begünstigt. Dadurch wird die Sprungtemperatur um dTc =100mK abgesenkt. Durch eine Erweiterung des Zweischichtsystems auf F/S/F'-Schichten kann dieser Wert zusätzlich erhöht werden und bietet somit das Potenzial zur Anwendung in supraleitenden Spin-Valve-Systemen. Winkelabhängige Magnetotransportmessungen weisen auf die Erzeugung von Spin-Triplet Cooperpaaren auch in Schichten mit hoher magnetischer Anisotropie hin.

Proximity effects in superconductor(S)/ferromagnet(F) thin film heterostructures are gaining tremendous interest in fundamental studies scrutinizing exotic new quantum states as well as in the application of superconducting spin valves or fluxonic devices for quantum computing. In particular, an inhomogeneous magnetization of the neighboring ferromagnet enables modifications of the superconducting state, which emerges as stray-field generated domain-superconductivity or direct exchange related proximity effects such as spin-triplet superconducting correlations.In this thesis, a combination of both phenomena in one heterostructure system, and their interplay and controllability by an external magnetic field, is studied. A systematic study on thin film heterostructures of Nb(S)/FePd(F) with Perpendicular Magnetic Anisotropy (PMA) and a lateral magnetic domain pattern is performed addressing three main objectives: (i) growing the Nb/FePd bilayers reproducibly with varying strength of PMA and a controllable domain configuration, (ii) characterizing macroscopic magnetotransport measurements of stray-field generated and direct exchange proximity effects which reveal their interplay and tunability by an external magnetic field, and (iii) characterizing the inverse phenomenon where the superconducting state affects the lateral magnetic depth-profile of FePd. Grazing-Incidence Small-Angle Neutron Scattering (GISANS) is the method of choice for such inverse proximity effects that appear in S/F heterostructures with a lateral domain pattern on the mesoscopic length scale. Room-temperature characterizations reveal a successfully reproducible growth of thin film FePd with an adjustable strength of PMA and a controllable domain configuration. GISANS measurements confirm triangular shaped closure domains at the layer surfaces of stripe-patterned FePd. Results at low temperatures demonstrate isolated, stray-field generated domain-wall- and reverse-domain-superconductivity in samples of high PMA. This is consistent with theoretical models based on the Ginzburg-Landau approach. These confinement effects are accompanied by a change of magnetic fluctuations inside the FePd domain pattern and an increase of the domain wall width probed by neutron scattering in an out-of-plane applied guiding field. Polarized GISANS studies on S/F heterostructure systems exhibiting PMA are an entirely new research field and are demonstrated to reveal small changes in the magnetic orientation by the onset of superconductivity. Results on Nb/FePd with low PMA and a non-collinear magnetization promote spin-triplet Cooper pair generation with spin alignment along the F-layer magnetization in an in-plane applied field. The variation of the S critical temperature due to spin-triplet Cooper pairs (dTc) of 100mK is a promising large value for a bilayer system with capability for higher dTc in corresponding trilayer systems. In-plane measurements on samples with higher magnetocrystalline anisotropy and an angle-dependent study on the low-PMA Nb/FePd suggest a spin-triplet Cooper pair generation also in high-PMA Nb/FePd bilayers.

OpenAccess:
PDF
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