Grundlagen und Anwendungen zweidimensionaler supraleitender Spintronik

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Belzig; Professor Dr. Angelo Di Bernardo; Professorin Dr. Elke Scheer
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 443404566

Der Proximity-Effekt zwischen einem konventionellen dreidimensionalen Supraleiter (S) und einem Ferromagneten (F) kann zur Umwandlung der Cooper-Paare von Elektronen aus einem konventionellen antiparallelen Spin-Zustand (Spin-Singulett) in einen parallelen Spin-Zustand (Spin-Triplett) führen. Der Nachweis der Spin-Triplett-Erzeugung in S/F-Systemen hat das neue Forschungsfeld der supraleitenden Spintronik, kurz Superspintronik, eröffnet, welches darauf abzielt, supraleitende Bauelemente zu entwickeln, in denen Spin-Triplett-Supraströme für spintronische Funktionen mit sehr hoher Energieeffizienz verwendet werden. Die Entwicklung geschichteter van der Waals (vdW)-Heterostrukturen in Verbindung mit der Möglichkeit, vdW-Materialien bis hinunter zu Monolagen zu exfolieren ermöglicht die Untersuchung von zweidimensionalen (2D) S/F-Systemen. Dieser Projektantrag zielt daher auf die Erforschung von 2D-S/F-Systemen ab. Unser Ziel ist es nicht nur, unkonventionelle supraleitende Zustände zu erforschen, die durch den Proximity-Effekt in 2D-Supraleiter/2D-Ferromagnet(2DS/2DF)-Heterostrukturen entstehen, was aus fundamentaler Sicht interessant ist, sondern auch 2DS/2DF-Systeme zu nutzen, um supraleitende spintronische Bauelemente mit neuartigen Funktionalitäten zu konzipieren. Unser Forschungsprogramm verfolgt einen systematischen Ansatz, der die Charakterisierung der Materialien, die theoretische Modellierung, die experimentelle Untersuchung der spektroskopischen Eigenschaften und die Herstellung der Bauelemente umfasst. Die 2DF/2DS-Systeme werden durch mechanische Exfolierung und Trockentransfer in inerter Atmosphäre hergestellt, und ihre spektroskopischen Eigenschaften werden einerseits als Tunnel-Devices (mit einer 2D-Isolatorschicht auf der 2DF/2DS-Hybridstruktur) und Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskopie und -Spektroskopie untersucht. Die Experimente werden durch theoretische Modelle auf Basis von Bogoliubov-de Gennes-Gleichungen und quasiklassischen Greenschen Funktionen begleitet, nicht nur um die am besten geeigneten 2DS/2DF-Kombinationen und -Geometrien für Bauelementanwendungen zu ermitteln, sondern auch um das Verständnis der elektronischen Spektroskopie und der elektronischen Transportdaten zu erleichtern. In der ersten Förderperiode haben wir die Methodik entwickelt und indirekte Nachweise für die Erzeugung von Tripletts in Doppelschichtsystemen aus 2D-Supraleitern und dem helikalen vdW-Metall Cr1/3NbSe2 gefunden. Basierend auf diesen Ergebnissen werden wir nun Josephson-Kontakte und Spin-Ventil-Strukturen untersuchen, wobei wir auch andere helikale F-Metalle und/oder halbleitende Fs in Kombination mit NbSe2 und NbS2 als Supraleiter verwenden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2244: 2D Materialien – die Physik von van der Waals [Hetero-]Strukturen (2DMP)
• Internationaler Bezug: Israel
• ausländischer Mitantragsteller: Professor Dr. Hadar Steinberg