Ελεγχόμενη μεταβολή των ιδιοτήτων μεταφοράς ενός υπεραγωγού (ΥΑ) με χρήση σιδηρομαγνητικών (ΣΜ) συστατικών: εστιάζοντας σε επίπεδες τριστρωματικές νανοδομές τύπου ΣΜ/ΥΑ/ΣΜ

Abstract

The present PhD research focuses on the investigation of the transport properties of the superconducting interlayer in Ferromagnetic/Superconducting/Ferromagnetic (FM/SC/FM) trilayers (TLs) subjected in parallel external magnetic field. The basic phenomena that appear in these TLs are the superconducting spin-valve effect (sSVE) and the superconducting magnetoresistance effect (sMRE). The sSVE and the sMRE, though different in nature, refer to the modification of the SC interlayer’s transport properties and are motivated by the in-plane and the out-of-plane magnetization components of the outer FM layers, respectively. Detailed magnetic and magnetoresistance measurements were conducted in numerous series of Co(dCo)/Nb(dNb)/Co(dCo) TLs with thicknesses dCo=10-200 nm and dNb=13-50 nm. The shape anisotropy (extrinsic property of FM layers) and exchange bias mechanism (imposed through an antiferromagnetic CoO layer that was added in selected TLs) assisted in the understanding of the underlying physics that dominate these two phenomena. Based on comparative experimental evidences we uncovered the parameters that influence the sMRE magnitude, these are: the magnetic domain structure of the FM outer layers, the difference between the coercive fields of the FM outer layers, the distance between the outer FM layers, and the quality of the SC interlayer. Moreover, a noticeable reentrance of the upper-critical field line, Hc2(T), in the regime of low fields and temperatures close to the critical temperature was evidenced in Co/Nb/Co TLs consisting of relatively thick Co layers in which out-of-plane magnetic domains (MDs) appear. Towards the optimization of the sMRE we propose: a) a theoretical model based on simulations of the transverse stray dipolar fields, Hz,dip that stem from the center of the out-of-plane MDs for homogeneous and inhomogeneous micromagnetic characteristics (saturation magnetization, Msat and width, DMDs) and b) a phenomenological model based on experimental data that incorporates relevant macroscopic parameters and microscopic length scales of the SC (e.g. the zero-field critical temperature, Tc, the width of the superconducting transition, ΔTc and the zero-temperature coherence length, ξ(0)) and FM (e.g. the width of MDs, DDMs and the width of the MDWs (DMDWs)) structural units. In addition, we found the crucial parameters to distinguish the sMRE from sSVE. Finally, we investigated the transport properties of the Co/Nb/Co TLs under the aspect of their implementation as cryogenic devices utilizing either the sSVE or the sMRE. The results of the present dissertation clearly establish the modulation of the transport properties of a SC by means of FM templates and provide a thorough understanding of the physical mechanisms that motivate the observation of the sSVE and the sMRE in the FM/SC/FM TLs.

Η παρούσα διδακτορική έρευνα εστιάζεται στην μελέτη των ιδιοτήτων μεταφοράς του υπεραγώγιμου υμενίου στις τριστρωματικές νανοδομές (ΤΝ) Σιδηρομαγνήτης/Υπεραγωγός/Σιδηρομαγνήτης (ΣΜ/ΥΑ/ΣΜ) παρουσία παράλληλου εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Τα βασικά φαινόμενα που παρατηρούνται σε αυτές τις ΤΝς είναι το φαινόμενο του υπεραγώγιμου διακόπτη-σπιν (superconducting spin-valve effect (sSVE)) και το φαινόμενο της υπεραγώγιμης μαγνητοαντίστασης (superconducting magnetoresistance effect (sMRE)). Τα sSVE και sMRE, παρόλο που είναι διαφορετικής φύσης, αναφέρονται στην τροποποίηση των ιδιοτήτων μεταφοράς του ΥΑ υμενίου και υποκινούνται από την παράλληλη-στο-επίπεδο και κάθετη-στο-επίπεδο συνιστώσα της μαγνήτισης των εξωτερικών ΣΜ υμενίων, αντίστοιχα. Αναλυτικές μετρήσεις της μαγνήτισης και της μαγνητοαντίστασης πραγματοποιήθηκαν σε ΤΝς Co(dCo)/Nb(dNb)/Co(dCo) με πάχη dCo=10-200 nm και dNb=13-50 nm. Η ανισοτροπία σχήματος (που είναι εξωγενής ιδιότητα των ΣΜ υμενίων) και ο μηχανισμός πόλωσης ανταλλαγής (που επιβάλλεται μέσω ενός επιπλέον αντισιδηρομαγνητικού υμενίου CoO που προστέθηκε σε επιλεγμένες ΤΝς) χρησιμοποιήθηκαν για την κατανόηση των φυσικών μηχανισμών που σχετίζονται με τα φαινόμενα αυτά. Βασιζόμενοι σε πειραματικά δεδομένα ανακαλύψαμε τις παραμέτρους που επηρεάζουν την ένταση του sMRE, αυτές είναι: α) η δομή των μαγνητικών τομέων των ΣΜ υμενίων, β) η διαφορά των συνεκτικών πεδίων των εξωτερικών ΣΜ υμενίων, γ) η απόσταση των ΣΜ υμενίων και δ) η ποιότητα του ΥΑ υμενίου. Επιπλέον, σε ΤΝς Co/Nb/Co που αποτελούνται από παχιά υμένια Co, όπου κυριαρχεί η κάθετη-στο-επίπεδο μαγνητική ανισοτροπία, παρατηρήσαμε μια σημαντική επανείσοδο (reentrance) στην γραμμή του άνω κρίσιμου πεδίου του ΥΑ, Hc2(T), στην περιοχή των μικρών πεδίων και σε θερμοκρασίες κοντά στην κρίσιμη θερμοκρασία. Αναφορικά με την βελτιστοποίηση του sMRE, προτείνουμε: α) ένα θεωρητικό μοντέλο που βασίζεται σε θεωρητικές προσομοιώσεις των εγκάρσιων διαφευγόντων διπολικών πεδίων, Hz,dip, που εμφανίζονται στο κέντρο των κάθετων-στο-επίπεδο μαγνητικών τομέων (ΜΤ) για ομογενή και ανομοιογενή μικρομαγνητικά χαρακτηριστικά (μαγνήτιση κόρου, Msat και πλάτος ΜΤ, DMΤ) και β) ένα φαινομενολογικό μοντέλο που βασίζεται σε πειραματικά δεδομένα και ενσωματώνει τις μακροσκοπικές παραμέτρους και τα μικροσκοπικά χαρακτηριστικά μεγέθη των ΥΑ (κρίσιμη θερμοκρασία ΥΑ, Tc, πλάτος υπεραγώγιμης μετάβασης, ΔTc, μήκος συσχέτισης σε μηδέν θερμοκρασία, ξ(0)) και των ΣΜ (πλάτος των ΜΤ, DΜΤ και πλάτος των τοιχωμάτων των ΜΤ, DΤΜΤ) συστατικών. Επίσης, βρήκαμε τις κρίσιμες παραμέτρους για τον διαχωρισμό του sSVE από το sMRE. Τέλος, ερευνήσαμε πώς οι ιδιότητες μεταφοράς των ΤΝ ΣΜ/ΥΑ/ΣΜ μπορούν να εφαρμοστούν για το σχεδιασμό διατάξεων που έχουν ως βάση τον ΥΑ και λειτουργούν σε κρυογενικό περιβάλλον. Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής αποδεικνύουν ξεκάθαρα την ελεγχόμενη μεταβολή των ιδιοτήτων μεταφοράς ενός YA με τη χρήση ΣΜ συστατικών και αναδεικνύουν τους φυσικούς μηχανισμούς που υποκινούν την εμφάνιση των sSVE και sMRE στις ΤΝς ΣΜ/ΥΑ/ΣΜ.