Архитектура устройства S/F/S и удельное сопротивление, зависящее от температуры. Схематическое изображение S/F/S бокового джозефсоновского перехода. 
b Схематическая диаграмма атомной структуры Fe₃GeTe₂, где показаны некомпланарные спиновые текстуры с фиктивным полем h в фрустрированных треугольных решетках. 
c Оптическое изображение устройства S/F/S. 
d Зависимость сопротивления S/F/S от температуры при четырехполюсном измерении и приложенном токе (I_app) составляет 10 мкА. Идентифицируются три перехода: первые два T_c1 = 6,9 K от сверхпроводящего NbSe₂, а T_c2 ~ 5,4 К из-за индуцированного близостью сверхпроводящего перехода бислоев S/F на каждом конце S/F/S. Красная сплошная линия представляет собой переход БКТ с использованием уравнения Гальперина-Нельсона для подгонки, которое дает третий переход с температурой БКТ T BKT = 3,7 K. Исходные данные предоставлены в виде файла исходных данных.
Предоставлено: Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37603-9

Они соединили два спин-синглетных сверхпроводника NbSe₂(S), создав ван-дер-ваальсов ферромагнитный металл Fe₃GeTe₂(F), и впервые наблюдали дальний сверхток в боковом джозефсоновском переходе (S/F/S), который демонстрирует удивительные характеристики поверхности.

Ферромагнетизм и сверхпроводимость — два антагонистических макроскопических порядка. При попадании синглетного сверхтока в ферромагнетик будет запускаться быстрая декогерентность куперовских пар.

Однако спин-триплетные сверхтоки, индуцируемые вблизи границ раздела сверхпроводник/ферромагнетик, обеспечивают транспорт без диссипации энергии на большие расстояния в ферромагнетиках, что было доказано теоретически и экспериментально в последние годы. Это обеспечивает более желательный метод создания квантовых устройств без диссипации.

Предыдущие исследования были сосредоточены на создании сверхпроводящих джозефсоновских переходов со связанными объемными ферромагнетиками для наблюдения спин-триплетных токов и управления спиновыми и зарядовыми степенями свободы. Однако имеется мало сообщений о наблюдении спин-триплетных сверхтоков и связанных с ними исследованиях межфазных свойств на основе гетеропереходов двумерных (2D) ван-дер-ваальсовых (ВДВ) материалов.

Исследователи построили латеральные вдв-джозефсоновские контакты S/F/S, соединив два синглетных вдВ-сверхпроводника NbSe₂ с вдВ-ферромагнетиком Fe₃GeTe₂(F). С помощью низкотемпературных электрических испытаний исследованы электрические свойства С/Ф/С с различной длиной переходных каналов. Результаты показали состояние нулевого сопротивления S/F/S и дальнодействующий джозефсоновский сверхток (~ 300 нм).

Критический ток сверхпроводимости при нулевой температуре имеет тенденцию к затуханию с увеличением длины канала и полностью исчезает при увеличении длины канала до 450 нм.

Что еще более интересно, реакция дальнодействующего сверхпроводящего критического тока на внешнее магнитное поле, перпендикулярное каналу сверхтока, представляет собой периодическую картину колебаний, которая похожа на двухщелевую интерференцию, а не на обычную полосу периодических колебаний Фраунгофера. Этот результат подтвердил существование джозефсоновского сверхтока с дальнодействующим скин-эффектом в S/F/S, который отличается от джозефсоновского сверхпроводящего тока обычных объемных каналов.

Кроме того, исследователи предложили два возможных механизма поверхностной особенности дальнего сверхтока. Во-первых, спин-орбитальная связь Рашбы, вызванная нарушением зеркальной симметрии на поверхности Fe₃GeTe₂, при взаимодействии с ферромагнетизмом и s-волновой сверхпроводимостью NbSe₂ может привести к двумерной топологической сверхпроводимости на поверхности Fe₃GeTe₂.

Во-вторых, магнитная неоднородность, вызванная некомпланарной структурой атомов Fe в Fe₃GeTe₂, способствует превращению спин-синглетных куперовских пар в спин-триплетные пары на поверхности за счет спин-вращения и спинового смешивания, а затем формирует дальнодействующее джозефсоновское сверхтечение.

Конструкция S/F/S некомпланарной структуры открывает новую перспективу для изучения взаимодействия между ферромагнетизмом и сверхпроводимостью. Новые физические свойства, представленные этой некомпланарной структурой, обеспечивают платформу для потенциальных приложений новых квантовых функциональных устройств в двумерной сверхпроводящей спинтронике и реализации топологической сверхпроводимости.