量子材料科学中心韩伟课题组在铁磁-超导异质结中发现自旋动力学振荡行为

超导/铁磁异质结具有众多新奇的物理性质，是研究超导电性与铁磁序相互作用的良好平台，并且在超导自旋电子学以及超导量子计算领域具有巨大应用前景。尤其有趣的是，在超导/铁磁异质结中，由于铁磁体中费米波矢失配导致超导库珀对电子的波函数在铁磁体产生振荡行为(图A)。因此基于超导/铁磁构建的磁性约瑟夫森器件是实现非常规的π相位约瑟夫森结的有效途径，并且可以通过精准控制铁磁层厚度实现0相位与π相位约瑟夫森结的转变(图B-C)。然而，前期对于磁性约瑟夫森结的研究主要集中在电荷输运测量，其中的自旋相关性质至今还未被探索。

为了进一步理解0-π约瑟夫森结中的自旋相关特性，北京大学物理学院量子材料科学中心韩伟课题组与谢心澄院士， IBM硅谷研究中心的See-Hun Yang研究员，以及德国马普所的于涛博士等合作，在铁磁约瑟夫森结中观测到了自旋动力学因子随着磁性层厚度的显著振荡行为(图D)。进一步的实验证明与理论分析，排除了超导准粒子与自旋三重态库珀对作为自旋载体的可能性，创新性地提出安德列夫束缚态是该体系中耗散自旋流的主要载体,并且证明安德列夫束缚态对自旋的耗散能力受到0-π相位约瑟夫森结转变的巨大调控。

该工作是继RKKY磁交换耦合振荡效应后自旋电子学领域的的一项重大突破，首次利用超导态实现了自旋动力学的巨振荡行为。该结果为理解超导体内自旋耗散提供全新的视角，并对基于铁磁约瑟夫森结的量子器件的研发打下实验基础，为超导自旋电子学和超导量子计算的进一步发展提供新的实验方案。

2021年11月26日，该成果以“Giant oscillatory Gilbert damping in superconductor/ferromagnet/superconductor junctions”为题，在线发表于《Science Advances》。北京大学物理学院量子材料科学中心2016级博士生姚云焱与2017级博士生蔡冉冉为共同第一作者，韩伟副教授和See-Hun Yang研究员为文章通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金、国家科技部、中科院先导计划和北京市自然科学基金等经费支持。

       论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abh3686

 

图A：物理图像示意在超导/铁磁界面库珀对波函数在铁磁层发生振荡，从而形成0相位态和π相位态。B：自旋流注入到0相位和π相位约瑟夫森结中的安德列夫束缚态的示意图。C：π相位约瑟夫森结与0相位约瑟夫森结的自旋动力学因子随着铁磁层厚度变化发生显著振荡。