基于 CoFeB/MgO 的垂直磁性结构中的零场超导自旋阀运行

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Zero-field superconducting spin-valve operation in a CoFeB/MgO-based perpendicular magnetic structure

　　基于CoFeB/MgO的PMA自旋阀展现出稳定的零场P/AP态和正的ΔTc。微磁模拟比较了均匀磁态和多磁畴磁态中的杂散磁场。反转引起的多磁畴态增强了局部杂散磁场的非均匀性。**引言**超导性的磁控制是超导自旋电子学的核心目标，为非易失性低温存储和逻辑器件提供了一条途径。超导自旋开关的概念可追溯到de Gennes提出的超导体与两个铁磁绝缘体耦合的提案，其中超导转变温度Tc可以通过磁层相对磁化方向的取向来调节。在金属铁磁体/超导体/铁磁体三层层中，这一概念随后由Tagirov以及Buzdin和合作者进一步发展。在这些系统中，超导性由交换场诱导的配对破坏以及F/S界面的近邻耦合共同决定。在传统的超导自旋阀图像中，两个铁磁层诱导的交换场在平行态中相加，抑制超导性，而在反平行态中部分抵消，使得Tc(AP) > Tc(P)。我们定义自旋阀偏移为ΔTc ≡ Tc(AP) ? Tc(P)。后续研究发现了其他机制，包括杂散场诱导的涡旋耗散和准粒子自旋积累，这些机制可以与传统的交换场贡献竞争，并在适当条件下产生反常自旋阀响应。对基于Ni、Fe、Co、CuNi和NiFe铁磁体的传统面内磁各向异性金属SSV的广泛研究揭示了标准和反常自旋阀响应，具体取决于材料体系、器件几何结构和磁化反转路径。最近的界面和长度尺度工程化系统，包括具有故意氧化界面的Co/Pb/Co异质结构和具有Au插入层的EuS/Nb/EuS，已显示出显著增强的开关响应，强调了同时控制磁构型和超导长度尺度的重要性。相关的S/FI和磁畴壁超导性研究进一步凸显了超导性对交换场分布、磁非均匀性和Cooper对穿透长度的敏感性。相比之下，具有垂直磁各向异性的SSV仍然相对未被充分探索。基于Co/Pt多层结构的PMA自旋开关已展示了通过平面外P态和AP态之间的切换来实现Tc调节。然而，对于PMA SSV中磁化反转路径、局部杂散磁场分布以及交换场效应与准粒子自旋过程之间相互作用的系统理解仍然缺乏。在许多传统金属SSV中，构型依赖的Tc偏移通常仅在毫开尔文量级，使得响应高度依赖于磁态稳定性和局部磁环境。因此，稳定的、定义明确的且可重复的剩磁P/AP态以及减小的反转引起的磁静力学模糊性对于PMA SSV的可靠表征至关重要。在PMA材料平台中，CoFeB/MgO特别具有吸引力，因为界面Fe(Co)–O轨道杂化、硼的重新分布以及退火诱导的结晶可以在超薄CoFeB中产生稳健的垂直各向异性。与基于Co/Pt多层结构的方法不同，这种界面PMA可以实现更简单的F/S/F架构，在减少磁性厚度的同时保留与现有自旋电子制造方法的兼容性。然而，基于CoFeB/MgO的金属SSV在多大程度上可以维持稳定的零场P/AP态并提供更可解释的超导响应仍缺乏充分探索。在此，我们报道了一种基于CoFeB/MgO界面PMA的CoFeB/Nb/CoFeB SSV。我们的研究聚焦于三个方面：零场剩磁P/AP态的稳定性、SSV响应的可重复性以及磁化反转过程中局部磁环境的演变。反常霍尔测量证实了零场下稳定的剩磁P/AP态，而重复的电阻-温度R(T)测量展示了可重复的构型依赖Tc偏移。我们将实验磁化反转特征与微磁模拟相结合，研究了与均匀P/AP态和反转诱导的多磁畴构型相关的杂散磁场分布。这些结果强调了控制磁构型以最小化SSV中局部杂散磁场非均匀性的重要性。我们进一步利用特征比dS/ξS,d评估了PMA SSV中交换场重叠与准粒子相关过程之间的竞争。本工作建立了一个基于CoFeB/MgO的PMA SSV平台，该平台结合了稳定的零场磁态与可重复的超导开关，同时利用微磁和长度尺度分析阐明了磁静力学效应和自旋依赖过程在金属SSV中的作用。**方法**多层薄膜通过磁控溅射沉积在经过预处理的Si基底上，基压低于8 × 10?? Torr。沉积前，所有靶材均进行了预溅射以去除表面污染物。CoFeB层的PMA通过在1 T垂直磁场下于300 °C高温真空退火1小时来诱导。磁特性通过面内和面外磁滞回线测量来表征。低温反常霍尔测量**PMA SSV表征**我们制备了图1(a)所示的基于PMA的SSV。CoFeB/Nb/CoFeB三层结构构成了金属F/S/F核心，而相邻的MgO层为超薄CoFeB层提供了界面PMA，同时不打断Nb基超导间隔层。Ta和Nb层作为缓冲层和帽层，用于提高薄膜连续性和保护异质结构。图1(b)显示了在5 K下测量的反常霍尔效应。近方形的磁滞回线和高度剩磁确认了稳健的**结论**本工作建立了一个基于CoFeB/MgO的PMA平台，用于在CoFeB/Nb/CoFeB异质结构中实现零外加磁场下稳定的剩磁态SSV工作。该器件支持良好定义的剩磁P/AP态和可重复的正ΔTc。微磁模拟进一步表明，磁化反转过程中多磁畴的形成可以增强局部杂散磁场非均匀性，凸显了稳定的PMA剩磁态在减少磁静力学复杂性方面的潜力。**CRediT作者贡献声明****Qiusha Wang:** 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，调查，形式分析。**Jiaxu Li:** 调查，形式分析。**He Yu:** 调查，形式分析。**Yu He:** 调查，形式分析。**Le Wang:** 写作 – 审阅与编辑，资源。**Haochang Lyu:** 写作 – 审阅与编辑，资源。**Bowen Dong:** 写作 – 审阅与编辑，资源。**Guang Yang:** 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，监督，项目管理，资金**利益冲突声明**作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。**致谢**本工作得到了量子科学与技术-国家科技重大专项（编号：2025ZD0300600和2025ZD0300603）、北京市自然科学基金（编号：2262053）和山东省自然科学基金（编号：ZR2024MA054）的支持。Qiusha Wang|Jiaxu Li|He Yu|Yu He|Le Wang|Haochang Lyu|Bowen Dong|Guang Yang