Ученые Лаборатории теоретической физики ОИЯИ в течение 2017–2022 годов провели ряд исследований, посвященных аномальному эффекту Джозефсона – явлению, происходящему в структурах типа сверхпроводник – ферромагнетик – сверхпроводник (С/Ф). Научная группа теоретиков ЛТФ открыла ряд не известных ранее свойств, проявляемых в этих материалах, разработала некоторые методики контроля намагниченности магнетиков в них, а также предложила способ радикального снижения энергозатрат при функционировании спинтронных устройств. Отдельные теоретические модели, выведенные в ЛТФ, ожидают экспериментальной проверки их коллегами из ЛНФ ОИЯИ.
Эффект Джозефсона был предсказан американским физиком Брайаном Джозефсоном в 1962 году, вскоре после чего был подтвержден экспериментально. Эффект заключается в туннелировании спаренных электронов через барьер. Если между двумя слоями сверхпроводника расположен несверхпроводящий материал очень маленькой толщины, к примеру, наноразмерной, то ток будет проходить сквозь этот материал – это явление называется эффектом Джозефсона. Если же прослойка является ферромагнетиком, то есть материалом, обладающим намагниченностью при отсутствии внешнего магнитного поля, то говорят об аномальном эффекте Джозефсона. В то время как эффект Джозефсона отражает сверхпроводниковое явление, аномальный эффект связывает два антагонистических явления – сверхпроводимость и магнетизм, которые до последнего времени не удавалось совместить, поскольку магнитное поле уничтожает сверхпроводимость, а сверхпроводимость выталкивает магнитное поле.
«В гибридных джозефсоновских структурах их удалось сблизить, что позволяет сверхпроводимости управлять магнетизмом, а магнетизму влиять на сверхпроводимость. Образно говоря, удалось их «поженить», и этот «брак» стал основой новой области науки: сверхпроводниковой спинтроники», — рассказал ведущий научный сотрудник Лаборатории теоретической физики ОИЯИ Юрий Шукринов. Для реализации этого взаимодействия потребовалось нарушить в гибридной структуре С/Ф две симметрии: симметрию инверсии (пространственных координат) и симметрию относительно обращения времени. Обращение времени – это умозрительная операция, когда в соответствующее уравнение вместо параметра t подставляют -t. Симметрия относительно обращения времени реализуется в кристаллах некоторых химических элементов. Если нарушить эти две симметрии в ферромагнетике, то одним из проявлений новых свойств для структур С/Ф станет изменение ток-фазового соотношения, когда сверхпроводящий ток оказывается связанным с магнитным моментом. «Эту модель назвали φ0 (фи-ноль) джозефсоновским переходом, в нем реализуется связь сверхпроводящего тока, или, более конкретно, фазы, с магнитным моментом ферромагнетика», — прокомментировал Юрий Шукринов.
Авторы исследования: Юрий Шукринов (в центре), в верхнем ряду слева направо: Кирилл Куликов, Маджед Нашаат, Андрей Мазаник, Илхом Рахмонов
external link, opens in a new tabЭффект Джозефсона находит колоссальные применения в различных областях науки, техники, медицины. В частности, приборы на его основе применяются в сверхпроводниковой электронике для измерения сверхслабых магнитных полей, в квантовой метрологии в качестве современных стандартов вольта, в медицине для снятия магнитоэнцефалограмм головного мозга. Эффект Джозефсона является одной из основ для генерирования и детектирования когерентного электромагнитного излучения в терагерцовой области. Терагерцовая область электромагнитного спектра расположена между инфракрасной и микроволновой областями шкалы электромагнитных волн и является наименее изученной на сегодняшний день. Помимо джозефсоновских структур, терагерцовое излучение возможно получать с помощью лазеров на свободных электронах, один из которых планируется построить на ускорителе ЛИНАК-200 в ОИЯИ. Тогда как на лазере можно будет получать мощное излучение, необходимое для научных экспериментов, система связанных джозефсоновских переходов более компактна и перспективна для широкого применения. Терагерцовый диапазон используется, например, в таких областях, как астрономия, медицина, системы безопасности и экологический мониторинг.
«Если у вас есть система связанных джозефсоновских переходов, то мощность в ней растет пропорционально квадрату числа переходов. Ограничения на получаемую мощность накладывает величина тока – слишком большой ток способен вызвать перегрев образцов. На уровне 400 джозефсоновских переходов мощность составляет около одного милливатта – этого достаточно для практических применений. Уже сейчас есть разработки таких приборов по получению терагерцового излучения, в основном, в Японии и США», — рассказал Юрий Шукринов.
В Европе на основе исследований ученых ЛТФ ОИЯИ признанные специалисты в области сверхпроводниковой спинтроники Клаудио Гуарчелло и Себастьян Бержерет предложили инновационный криогенный элемент памяти (C. Guarcello and F.S. Bergeret, A cryogenic memory element based on an anomalous Josephson junction, Phys.Rev.Appl, 13, 034012, 2020). В его основу был положен метод переворота магнитного момента в джозефсоновских структурах, открытый группой Юрия Шукринова [20]. Ученые ЛТФ разработали методику и продемонстрировали переворот магнитного момента импульсом сверхпроводящего тока, что приводит к радикальному снижению энергозатрат при функционировании спинтронных устройств.
В дальнейшем теоретиками ОИЯИ были найдены аналитические критерии переворота в структурах различных типов [7,8], обнаружена периодичность в возникновении интервалов переворота при изменении параметров спин-орбитальной связи и гильбертовского затухания, а также отношения джозефсоновской энергии к магнитной [15].
Второй целью исследований, помимо снижения энергозатрат, стала разработка принципиально новых методов контроля намагниченности, что также удалось сделать. Кроме того, были предсказаны проявление свойств маятника Капицы в аномальном джозефсоновском переходе, непрямой захват магнитной прецессии джозефсоновскими осцилляциями под действием внешнего периодического сигнала.
Об этих и других результатах рассказывают сами авторы.
На совещании, которое было посвящено структурам с аномальным эффектом Джозефсона, были представлены основные итоги описываемых исследований«Один из методов контроля намагниченности был найден при детальном исследовании фазовой динамики и вольт-амперных характеристик в структурах с аномальным эффектом Джозефсона. Нами был открыт новый эффект – проявление свойств маятника Капицы (появление динамически стабильных устойчивых положений намагниченности) в аномальном джозефсоновском переходе (АДП) [19, 20], а также в системе «джозефсоновский переход — наномагнит» (ДП-НМ) [4,14], открывающий возможность переориентации легкой оси ферромагнетика. Уникальность этого метода заключается в том, что он позволяет изменять ориентацию намагниченности и положение точек стабильности за счет приложенного высокочастотного периодического воздействия и открывает новый способ управления намагниченностью с помощью сверхпроводящего тока.
Нами был также найден новый метод контроля динамики магнитной прецессии. Возможность управления динамикой магнитной прецессии сверхпроводящим током открывает широкий простор для применений в сверхпроводниковой электронике и спинтронике. В нашей работе [2] впервые продемонстрирован непрямой захват магнитной прецессии в SFS-переходе джозефсоновскими осцилляциями под действием внешнего периодического сигнала, что отражается возникновением ступенек синхронизации на зависимости намагниченности от тока через переход. Положение ступеньки определяется частотой излучения и формой резонансной кривой.
Другим интересным эффектом является проявление состояния с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС) на вольт-амперной характеристике АДП. Такие состояния могут быть использованы в коммутационных схемах и мультивибраторных электронных устройствах. Нами показано, что в области с ОДС на вольт-амперной характеристике возникает дополнительная ступенька. Детальные исследования [2] показали, что соответствующие этой ступеньке осцилляции имеют ту же частоту, что и осцилляции на первой ступеньке, но они имеют другую амплитуду. Это позволяет управлять не только частотой, но и амплитудой магнитной прецессии в области захвата. Возникают уникальные перспективы для контроля и управления динамикой магнитного момента в таких гибридных системах.
Нами был получен ряд других интересных эффектов, возникающих в гибридных наноструктурах. В частности, было продемонстрировано, что новые динамически стабильные положения намагниченности могут приводить к расщеплению легкой оси ферромагнетика в SFS джозефсоновских переходах на поверхности трехмерного топологического изолятора [13]. Было показано, что такое расщепление приводит к стабилизации нетрадиционного четырехкратно вырожденного ферромагнитного состояния. Также было показано, что напряжение на переходе связано с изменением компоненты намагниченности, что позволило нам предложить механизм электрического контроля намагниченности в SFS-переходе на поверхности 3D-топологического изолятора.
Наиболее важной характеристикой джозефсоновской структуры, измеряемой экспериментально, является ее вольт-амперная характеристика. В связи с этим она исследовалась достаточно подробно. Нами впервые обнаружены субгармонические лестничные структуры на вольт-амперных характеристиках, обусловленные влиянием динамики намагниченности на разность фаз в джозефсоновском переходе [10,16-18]. Такие структуры могут быть использованы в различных областях сверхпроводниковой спинтроники. Они чувствительны к изменению периодичности в динамике системы и могут служить индикатором различных экзотических состояний. В частности, они могут быть использованы для регистрации майорановских связанных состояний в джозефсоновских наноструктурах.
Одной из важнейших задач в области кодирования данных и повышения безопасности связи является разработка методов контроля и управление хаосом. Нами было продемонстрировано богатое разнообразие периодического и хаотического поведения в динамике магнитного момента в системе ДП-НМ [3]. Было также показано, что хаотическим поведением системы можно управлять, подавая внешний периодический сигнал нужной частоты и амплитуды. Предполагается, что такую систему можно использовать в качестве хаотических логических гейтов в компьютерах на основе хаотических систем.
Важные результаты были получены при исследовании резонансных свойств гибридных наноструктур. В SFS-структурах [11,12] и системе ДП-НМ [15] нами был продемонстрирован сдвиг резонансной частоты, вызванный взаимодействием магнитной подсистемы с джозефсоновским переходом. Полученные результаты обладают большой практической значимостью. Как известно, одним из методов определения характеристик магнитных систем является ферромагнитный резонанс (ФМР). Стандартная теория ФМР, основанная на микроволновом поглощении в магнитных материалах, показывает, что резонансная частота является функцией эффективного поля, параметров материалов и системы. Эта зависимость может быть использована для определения параметров материала. С другой стороны, эти параметры можно варьировать, чтобы контролировать свойства материала по поглощению микроволн. Эта двусторонняя связь между характеристиками ФМР и физическими параметрами системы обычно основана на аналитических выражениях, которые дают резонансную частоту как функцию параметров материала (константы анизотропии, обменные и дипольные связи). В случае же гибридных структур такие аналитические выражения не могут быть получены и приходится прибегать к численному моделированию или некоторому приближенному решению. Полученные нами результаты предоставляют необходимую информацию для оценки физических параметров в гибридных структурах типа SFS и ДП-НМ.
Интересные результаты были получены при исследовании ФМР в гибридных структурах сверхпроводников с ферромагнетиком [1,9]. Было продемонстрировано многообразие регулярных динамических состояний намагниченности вдоль вольт-амперной характеристики аномального джозефсоновского перехода, характеризующихся специфическими фазовыми траекториями [12]. Нами было показано, что ими можно управлять, в частности, было продемонстрировано, что внешнее электромагнитное излучение позволяет фиксировать специфическую траекторию в пределах ступеньки Шапиро.
Нелинейные свойства гибридных структур ярко проявились в открытом нами эффекте аномальной зависимости резонансной частоты от параметра гильбертовского затухания [6]. Эта зависимость была названа α-эффектом и объяснена в работах [5,6]. Было продемонстрировано, что связанная система уравнений Ландау-Лифшица- Гильберта-Джозефсона может быть сведена к скалярному нелинейному уравнению Даффинга. Мы показали, что имеется критическая величина затухания, при которой в игру вступает кубическая нелинейность, изменяющая зависимость частоты резонанса от затухания приводящему к данной зависимости. Демонстрация α-эффекта при различных значениях спин-орбитального взаимодействия и отношения джозефсоновской энергии к магнитной приведена в нашей работе [5]. Нами была найдена формула, предсказывающая критическую величину затухания в зависимости от величины спин-орбитальной связи и отношения джозефсоновской энергии к магнитной».
Цикл работ, выполненных в 2017–2022 годах по теме «Аномальный эффект Джозефсона», был отмечен первой Премией ОИЯИ за 2022 год в конкурсе научно-исследовательских теоретических работ (авторы: Юрий Шукринов, Илхом Рахмонов, Кирилл Куликов, Мохамед Нашаат, Андрей Мазаник). Вторую премию ОИЯИ-2022 в категории «За научно-исследовательские экспериментальные работы» получили ученые ЛНФ с исследованиями, посвященными магнетизму ферромагнитно-сверхпроводящих неоднородных слоистых структур, которые также связаны с аномальным эффектом Джозефсона. Две группы ученых, занятых одной областью деятельности, теоретики и экспериментаторы, объединились и будут проводить в жизнь сотрудничество по этой теме. «Мы составили большие планы по экспериментальной реализации наших достижений и рассчитываем получить их экспериментальное подтверждение», — рассказал Юрий Шукринов. Для этого ученые ЛНФ в дополнение к основным методам изучения сверхпроводящих ферромагнитных гетероструктур будут измерять еще и вольт-амперные характеристики образцов. Планируется, что научный сотрудник сектора нейтронной оптики ЛНФ Владимир Жакетов проведет измерения в МФТИ в сотрудничестве с группой ученого Института физики твердого тела РАН (Черноголовка) Валерия Рязанова.