Гетероструктуры YBCO/Sr₂IrO₄/Au

C-параметр плёнок Sr₂IrO₄ остаётся близким к табличным значениям. Температура перехода в сверхпроводящее состояние слоя YBCO также не меняется по сравнению с автономной плёнкой, и равняется 91 К.

Осаждение:

- YBCO 60 нм 830 ^oC 0,5 мбар O₂, T_C = 91 K.

- Sr₂IrO₄ 10 нм 700 ^oC 0,5 мбар Ar + отжиг 30 min 500 ^oC, 1 атм O₂.

Образцы с меза-структурами площадью от 10x10 до 50x50 мкм².

Гетероструктуры SrIrO₃/La_0,7Sr_0,3MnO₃

Элемент, способный генерировать спиновый ток, состоит из пленок ферромагнетика (манганита) и нормального (немагнитного) металла - иридата стронция с сильным спинорбитальным взаимодействием. Детектирование спинового тока проводится за счет обратного спинового эффекта Холла.

Температурные зависимости сопротивления SrIrO₃ и La_0,7Sr_0,3MnO₃ пленок с толщинами 10 nm и 12 nm соответственно, а также гетероструктуры SrIrO₃/La_0,7Sr_0,3MnO₃ с теми же толщинами отдельных пленок. R_H¹- вычисленная температурная зависимость сопротивления гетероструктуры SrIrO₃/La_0,7Sr_0,3MnO₃ в предположении параллельного соединения сопротивлений пленок. На вставке показана схема измерений сопротивления. При низкой температуре удельное сопротивления границы SrIrO₃/La_0,7Sr_0,3MnO₃, в предположении, что её толщина составляет 1 nm, равно r_I = 8•10^-6 W•cm. Столь малое значение удельного сопротивления границы указывает на возможность существования двумерного электронного газа с высокой подвижностью.

Спектры ферромагнитного резонанса (ФМР) автономной пленки La_0,7Sr_0,3MnO₃ и двух гетероструктур SrIrO₃/La_0,7Sr_0,3MnO₃ с разными толщинами пленки. Уширение линии ФМР можно объяснить дополнительной релаксацией за счёт спинового тока в структуре ферромагнетик/нормальный металл. При понижении температуры спектр от гетероструктры SrIrO₃/La_0,7Sr_0,3MnO₃ с толщиной La_0,7Sr_0,3MnO₃ пленки 3,5 нм сливается в одну линию, доказывая, что мы имеем дело с единой системой упорядоченных спинов, чья намагниченность становится более однородной с понижением температуры.

Значения резонансного поля двух гетероструктур, полученные при условии, когда внешнее магнитное поле было направлено вдоль трудной оси плоскостной одноосной магнитной анизотропии. В этом приближении уменьшение значения резонансного поля обусловлено увеличением намагниченности образца.

Температурная зависимость наведенной одноосной анизотропии H_c (заполненные кружки) и двухосной кубической анизотропии H_u (полые кружки) гетероструктуры, сплошная линия – температурная зависимость Н_c, усредненная по гетероструктурам с La_0,7Sr_0,3MnO₃ пленками. На вставке показана типичное положение осей Hc и Hu при комнатной температуре.

Угловая зависимость резонансного поля гетероструктур SrIrO₃/La_0,7Sr_0,3MnO₃ при T = 150 K (заполненные кружки), T = 90 K (красные квадраты), T = 40 K (голубые треугольники). Линии – зависимости резонансного поля от угла с учетом одноосной и двухосной анизотропий.

Напряжение, измеренное на поверхности SrIrO₃/La_0,7Sr_0,3MnO₃ гетероструктуры при свипировании магнитного поля (голубые кружки). Пунктирные зеленые и красные линии представляют собой симметричную и асимметричную части анизотропного магнитосопротивления, а фиолетовая линия – спиновый ток. Голубая линий- сумма сигналов от трех вкладов:

где L(H) = (∆H)²/[(H − H0)² + (∆H)²] – симметричная функции Лоренца с полушириной ∆H около резонансного поля H₀. L'(H) = ∆H(H − H0)/[(H − H0)² + (∆H)²] – асимметричная часть вклада анизотропного магнитосопротивления, где φ₀ - угол между направлением внешнего поля H и зарядового тока (направление z)

Топология измерения напряжения V.

Вольт-амперная характеристрика и зависимость дифференциального сопротивления от тока I. Критический ток определяется локальными максимумами R_D=dV/dI

Зависимость проводимости от напряжения G(V) для структуры с d = 7 nm, L = 40 mm, снятые при 3х значениях температуры, указанных на рисунке. На вставке показаны зависимости G(V) в диапазоне V < 1 mV, снятые T = 4,2 и 8,4 К

Температурные зависимости нормированного значения критического тока I_C и напряжения щели Nb от V. Сплошной линией показана БКШ–зависимость

Зависимость дифференциального сопротивления от напряжения R_D(V) для мезаструктур с d = 7 nm, L = 40 mm, T = 4,2 K под воздействием микроволнового излучения с частотой f_e=50 GHz. Стрелками и числами обозначено положение целых (n = m = 1) и дробных ступеней Шапиро (n = 1, m = 2) при напряжениях:
V_{n, m} = (n/m)•hf_e/2e.
Обозначение «0» соответствует критическому току

Асимметрия ступеней Фиске. Зависимость дифференциального сопротивления R_D(V) меза-структуры d = 5 nm и L = 40 μm при H = -1,3 Oe, соответствующее подавлению на 30 % критического тока I_C на ветви ВАХ, снятой при отрицательном смещении (V < 0), T = 4,2 K. Цифрами указаны номера n минимумов R_D. На вставке показана зависимость R_D от тока I.

Фрагмент ВАХ и R_D(V) при H = -2,7 Oe.

Зависимость скорости Свайхарта (параметр LV_n/n) от L для четырех структур с d = 5 nm на одном чипе для n = +1 и n = +2.

Значения напряжений резонансных ступеней V_n для L= 40 μm при положительных и отрицательных напряжениях смещения. Прямые линии – зависимости V_n(n), отвечающие условию эквидистантности напряжений V_n относительно V₁ для n = +1 (V > 0) и n = -1 (V < 0).

Ступени Фискена H-V плоскости. Цифрами указаны номера n ступеней.

Туннельный ток для спинов разной направленности:

Возможная модель для меза-структуры (Au-Nb)/I*/LMO/YBCO

Зависимость проводимости меза-структуры от напряжения для температуры T>T_C. Асимметрия проводимости может быть вызвана разностью работ выхода для материалов на границах раздела LMO/YBCO и LMO/(Au-Nb).

Зависимость микроволнового излучение от напряжения при фиксированных значениях магнитного поля. Излучение в частотном диапазоне 1-2 ГГц наблюдается при токах смещения I > 150 мA, V≥10 мВ и магнитном поле ±5 Oe при температуре T=4.2 K. Ширина линии Df ~ 50 МГц , мощность генерации порядка 1 пВт. Частота излучения возрастала с ростом I со скоростью 7.5 10¹² Гц/A. Объяснение появления генерации основано на модели, приведённой выше.

Поперечное сечение

F2: Tcu = 350 K, Hs = 200 Oe   F1: Tcu = 130 K, Hs = 104 Oe   Намагниченность LSMO находится в плоскости подложки, а у SRO - вне плоскости.

Намагниченность гетероструктур Au/LSMO/SRO/YBCO

Для параллельной ориентации магнитного поля и эффекта Мейснера в перпендикулярном поле хорошо видно увеличение намагниченности в гетероструктуре с пленкой Au в качестве верхнего электрода.

ПЭМ изображения двуслойной структуры LSMO/SRO/NGO

Зависимости критического тока и первой ступени Шапиро от СВЧ тока, демонстрирующие наличие второй гармоники в ток-фазовой зависимости для мезаструктур с d_SRO = 5.6 нм, d_LSMO = 15 нм, L = 20 мкм

Зависимость критического тока от магнитного поля. Наличие максимума I_C при H≠0 и гистерезиса при больших диапазонах свипирования магнитного поля подтверждает магнитную природу прослойки.

Контурная зависимость плотности критического тока j_C от толщин d_SRO – d_LSMO. Экспериментальные данные показаны чёрными точками. T = 4,2 K.

Площадь меза-структур от 10x10 до 50x50 мкм².

Nb - обычный s-сверхпроводник (S)

YBa₂Cu₃O_x (YBCO) - оксидный d-волновой сверхпроводник (D)

Au – нормальный металл (N)

M – магнитоактивная прослойка:

- антиферромагнитный купрат Ca_1-xSr_xCuO₂ (CSCO) с x=0,15 и 0,5;

- манганиты La_1-yCa_yMnO₃ и La_1-yCa_yMnO₃, демонстрирующие ферромагнетизм (y=0,3);

- рутенат SrRuO₃ - ферромагнетик с температурой Кюри 140K;

- иридаты SrIrO₃ and Sr₂IrO₄ с сильным спин-орбитальным взаимодействием;

- не допированный манганит LaMnO, демонстрирующий ферромагнитные свойства, с температурой Кюри 140K;

- Симметричная разориентированная на угол θ = ± 14 º плоскостями (110) NdGaO₃ бикристаллическая подложка

- Эпитаксиальная плёнка La_2/3Ca_1/3MnO₃ (или La_0.7Ca_0.3MnO₃) толщиной 50 - 80 нм

- Тонкоплёночный переход через бикристаллическую границу щириной 8 мкм

Температурная зависимость бикристаллического перехода, тонкой пленки и сопротивления границы. Наблюдается уменьшение T_Cu, скорее всего вызванное наличием дефектного слоя вблизи границы

Купратные сверхпроводящие Джозефсоновские переходы были изготовлены на бикристаллических подложках, подходящих для использования на терагерцовых частотах. Исследования были проведены при сотрудничестве с Армянской академией наук (ИРФЭ) и Голландским институтом SRON.

Экспериментальная установка для измерений на суб-мм волн (в сотрудничестве с ИРФЭ). BWO – источник сигнала f = 220 – 550 GHz. Разделитель сигнала выполнен из металлической сетки. Набор тефлоновых линз изображён, для простоты, как одна. Ячейка "Голея" исользовалась для контроля подаваемой мощности пучка. Удлинённая на 3 мм полусферическая кремневая линза имела диаметр d = 12 мм. JJ - бикристаллический Джозефсоновский переход с антенной на сабфировой подложке.

Зависимость детекторного отклика от свипирующего сигнала в диапазоне 220 - 500 ГГц.

Бикристаллический Джозефсоновский переход включён в широкополосную логопериодическую антенну.

Зависимость детекторного отклика от свипирующего сигнала в диапазоне 220 - 500 ГГц.

Бикристаллический Джозефсоновский переход включён в двухщелевую антенну, рассчитанную на 300 ГГц, с полосой пропускания 50 ГГц.

Экспериментальные результаты детекторного отклика от суб-мм волн частой f = 450 ГГц, полученные с помощью бикристаллического Джозефсоновского перехода.

Измерения проведены с использованием частоты модуляции F = 32 Гц и постоянной времени интегрирования 1 с.

Схема суб-мм экспериментальной установки (SRON).

T = 12,5 K, JJ - бикристаллический Джозефсоновский переход, FTS - Фурье-спектрометр, Lock-in - селективный встроенный усилитель, Detec - детектор, V bias - блок смещения постоянного тока. Модулятор сигнала, блок контроля температуры и опорный канал не приведены на рисунке.

Бикристаллический Джозефсоновский переход с логопериодической антенной из YBCO на сабфировой подложке.

YBCO тёмного цвета. Изображение светлой области подстроено таким образом, чтобы продемонстрировать вертикальную бикристаллическую линию. Пунктирными линиями показан размер 100 мкм.

Спектр преобразования Фурье, полученный детекторным откликом от Джозефсоновского перехода при T = 12.5 K для напряжения смещения V = 1,15 mV.

Рисунки, приведённые слева, демонстрируют отклик Фурье спектрометра на промежуточной частоте F = 1 – 2 ГГц в режиме самонакачки Джозефсоновского перехода с нормальным сопротивлением R_N = 23 W, I_C = 90 мкA при T = 12.5 K. Напряжение смещения соответсвет частоте накачки: (a) 750 ГГц, (b) 845 ГГц, (c) 970 ГГц. Стрелка на рисунке (с) обозначает часоту внутреней Джозефсоновской само-накачки.