铜氧化物超导/锰氧化物铁磁异质结的制备与超导近邻效应研究

Superconductivity and ferromagnetism are two long-range quantum orders with a natural competitive relationship, and in general are difficult to co-exist in the same material system. The cuprate/manganite epitaxial heterostructures provide a good platform for the coupling of superconductivity and ferromagnetism. Abnormal phenomena observed in recent years, such as reverse superconducting-spin-valve effect, and long-range proximity effect, spark a new understanding of the superconducting and ferromagnetic interactions. In this project, we plan to adopt the method of pulsed laser deposition to prepare the high-quality cuprate/manganite epitaxial heterostructures with a smooth interface and clear chemical composition, as well as the superconducting tunnel junctions with an insulating barrier layer. Through the micro-structure characterization and the measurements of magnetic, electrical transport properties, we systematically study the interaction of superconductivity and ferromagnetism. We use the differential conductance spectra to measure the superconducting density of states of superconducting tunnel junctions, and study all possible unconventional superconducting pairing states. In addition, we use the models of superconducting quasi-particle transport to calculate the observable physical quantities, in order to complete and deep understanding of the anomalous superconducting proximity effect. This project can provide the accumulation of experimental data for the potential applications of the superconducting spintronics device.

超导和铁磁是两种长程的量子序现象，它们具有天然的竞争关系，一般而言很难共存在同一材料体系中。基于薄膜外延的铜氧化物超导/锰氧化物铁磁异质结为这两个长程序的耦合供了一个很好的平台。近年来观察到的一些反常的实验现象，如反超导自旋阀效应、长程近邻效应等，激起了人们对超导与铁磁相互作用的重新认识。本项目拟采用脉冲激光沉积的方法制备具有光滑界面、清晰化学成分的高质量铜氧化物/锰氧化物外延异质结构，以及制备带绝缘势垒层的超导隧道结。通过微结构的表征以及磁、电输运性质的测量系统地研究超导与铁磁的相互作用；采用微分电导谱测量超导隧道结的态密度，研究各种可能的非常规超导配对态。同时，我们将使用不同的超导准粒子输运理论模型计算各种可观测物理量，以期对各种反常的超导近邻效应有完整和深刻的理解。本项目的开展可以为超导自旋电子学器件潜在的应用积累相关的实验数据。

超导和铁磁这两种量子序之间的相互作用导致了一些新奇的物理现象，例如超导自旋阀效应、长程超导近邻效应等。研究基于薄膜外延的铜氧化物超导/锰氧化物铁磁异质结，对于深入理解和澄清反常超导近邻效应的物理起源以及开发新型超导自旋电子器件的应用有重要意义。本项目中我们系统研究了YBCO/LCMO(LSMO)等超导/铁磁异质结的电子输运行为，总结了铁磁材料的成分、铁磁层厚度以及铁磁交换能强度等对超导临界温度的影响规律，并且指出了超导/铁磁界面上的自旋无序和自旋反转是影响超导近邻行为的重要因素。我们设计了超导/软磁/硬磁三层结构的超导自旋阀，采用微观的超导准粒子输运方法研究了体系的超导隧道谱。通过研究，我们提出利用外磁场可以调控异质结中的长程近邻效应，从而能够产生自旋三重态的超导电子配对。此外，除了二维界面上的超导效应，我们还研究了其它一些本征的二维超导材料。我们预言了通过载流子掺杂可以在二维材料磷烯和硼烯中诱导出超导电性，并且施加应力可有效增强其超导电性。上述研究工作的开展可以为揭示超导/铁磁近邻效应的微观物理过程以及设计新型超导自旋电子器件提供一些基础的实验数据和理论模型。本项目相关的研究结果已经在Phys. Rev. B、Appl. Phys. Lett.等期刊上发表，截止目前共发表SCI论文7篇。