Ученые ИФТТ РАН совместно с немецкими коллегами исследовали влияние инжекции спин-поляризованного тока на мезоскопические джозефсоновские крестообразные структуры сверхпроводник – нормальный металл/ферромагнетик – сверхпроводник (S–N/F–S = Al–Cu/Fe–Al) (рис. 1а) [1]. В результате было показано воздействие квазичастичной и спиновой инжекции из ферромагнетика F в джозефсоновский N/F-барьер субмикронной S-N/F-S структуры на критический ток, инверсию разности фаз, появление нелокальных эффектов. Ранее авторы [1] в S–N/F–S структурах в отсутствие квазичастичной инжекции наблюдали спиновое расщепление сверхпроводящей энергетической щели и наведенной в N-барьере минищели [2], связанное с диффузией спинов из F в N слой в N/F барьере. При исследовании джозефсоновского эффекта в крестообразных переходах S–N/F–S, находящихся в неравновесном состоянии за счет включения тока инжекции поперек джозефсоновской слабой связи, было обнаружено, что изменение сверхпроводящего критического тока при увеличении тока инжекции имеет немонотонный характер с двумя ярко выраженными провалами, которые предположительно связаны с двойным “0–π–0 переходом” (рис. 1б).

Рис. 1. а – Микрофотография джозефсоновской S-N/F-S структуры Al-Cu/Fe-Al c ферромагнитным (Fe) подслоем – инжектором спин-поляризованных квазичастиц;
б – экспериментальная зависимость джозефсоновского критического тока I_c структуры Al-Cu/Fe-Al от тока инжекции I_inj с двумя (0-π-0) переходами с инверсией разности сверхпроводящей фазы (на вставке – результаты теоретической модели).

Такой двойной переход обеспечивается двукратным изменением на π разности сверхпроводящих фаз, определяющих когерентный транспорт в реализованной череде “андреевских” состояний (зон), переносящих сверхпроводящий ток через джозефсоновский барьер. Контакт нормального металла с ферромагнетиком в N/F барьере приводит к появлению двух точек пересечения нуля в плотности состояний, переносящих сверхпроводящий ток, что вызвано зеемановским расщеплением сверхпроводящих корреляций в N/F барьере.

Для описания наблюдаемого эффекта была разработана теоретическая модель с учетом сверхпроводящей токонесущей плотности состояний и электронной функции распределения в S-N/F-S переходах в присутствии эффектов близости нормального барьера с ферромагнетиком и сверхпроводником, а также спиновой диффузии и неравновесной квазичастичной инжекции. Установлено, что в исследованном случае, неравновесное состояние обеспечивается энергетическим режимом с небольшим количеством спин-энергетической неравновесной моды. Анализ экспериментальных результатов показал качественное согласие с модельными расчетами.

Таким образом, впервые удалось реализовать экспериментальный подход, позволивший наблюдать двойной переход c инверсией разности сверхпроводящих фаз на джозефсоновской структуре, возникающий за счет спиновой диффузии из F-подслоя в N-барьер и неравновесного электронного распределения, вызванного квазичастичной инжекцией. Авторы показали, что зеемановское расщепление из-за N/F близости в джозефсоновском барьере обеспечило возникновение двух узлов чередующихся знакопеременных участков сверхпроводящей токонесущей плотности состояний, что практически невозможно было реализовать в исследованных ранее простых структурах сверхпроводник–нормальный металл–сверхпроводник без слоев ферромагнетика.

Полученные результаты открывают перспективы для разработки новых джозефсоновских структур с особенностями переноса сверхпроводящих токов, и представляют интерес для создания новых элементов цифровой и квантовой сверхпроводящей электроники.

О. Камынина

1. T.E.Golikova et al., Supercond. Sci. Tech. 34, 095001 (2021).
2. T.E.Golikova et al., Phys. Rev. B 86, 064416 (2012).