Руководитель Овсянников Геннадий Александрович гл. науч. сотр., д.ф.-м.н., доцент эл. почта: [email protected] тел.: +7(495)629-74-31

Перспективными направлениями развития цифровых информационно-коммуникационных технологий является применение либо спинов, либо куперовских пар (сверхпроводящих носителей), что позволит снизить электрические потери и решит актуальную проблему традиционной электроники по отводу тепла от логических элементов. Использование эпитаксиальных пленок функциональных оксидов: сверхпроводящих купратов, магнитных манганитов, иридатов c сильным спин-орбитальным взаимодействием и гетероструктур на их основе является перспективным направлением развития спинтроники, в том числе сверхпроводниковой, поскольку эти функциональные материалы и границы разделов (интерфейсы) характеризуются богатством функциональных возможностей: в них наблюдалось образование двумерного электронного газа, топологически защищенных состояний, управляемых напряженностью фазовых переходов и других интересных и полезных для применения эффектов.

• Разработка физических методов получения эпитаксиальных пленок и гетероструктур из сложных оксидов

  Руководитель направления Петржик Андрей Михайлович ст. науч. сотр., к.ф.-м.н. эл. почта: [email protected] тел.: +7 (495) 629-74-31

   

  Разработка физических методов получения эпитаксиальных пленок и гетероструктур из сложных оксидов: купратов, манганитов, рутенатов, иридатов и т.д. для использования в наноэлектронике и спинтронике, в том числе сверхпроводниковой. Все эти материалы являются системами с сильным электрон-электронным взаимодействием, а иридаты дополнительно проявляют сильное спин-орбитальное взаимодействие. Гетероструктуры, выращенные эпитаксиально, позволяют как исследовать контактные явления на границе раздела материалов, так и являются основой различных устройств оксидной электроники.
  В лаборатории имеются две высоковакуумные установки магнетронного распыления с радиочастотными и на постоянном токе магнетронами, обе позволяют выращивать качественные, в т.ч. сверхпроводящие, гетероструктуры. В дополнение к магнетронным установкам вводится в эксплуатацию установка лазерной абляции на основе Nd:YAG лазера Лотис-ТИИ LS-2137N/4, что позволит существенно расширить технологические возможности лаборатории.
  Для проведения токовых измерений, в т.ч. в магнитных полях и под воздействиемСВЧ из гетероструктур создаются меза-структуры. Лаборатория располагает для этого контактным литографом и установкой ионного травления, которая незаменима в тех случаях, когда химическое травление применять не желательно.

  Андрей Петржик - руководитель направления (справа) и сотрудник лаборатории Иван Москаль вместе с установками ионного травления и магнетронного распыления. Высоковакуумная магнетронная установка для эпитаксиального роста тонких пленок оснащена системой нагрева подложки до температуры ~ 900°С и системой независимых концентрических магнетронных пушек.

• Изучение возбуждения и детектирования спинового тока в гетероструктурах из ферромагнитных пленок и материалов с сильным спин-орбитальным взаимодействием

  Руководитель направления Константинян Карен Иванович ст. науч. сотр., к.ф.-м.н. эл. почта: [email protected] тел.: +7 (905) 596-68-89

   

  В лаборатории изучаются процессы спин-поляризованного электронного транспорта, в том числе обусловленные спин-триплетным спариванием и сильным спин-орбитальным взаимодействием.
  На основе изготовленных в лаборатории гетероструктур проводятся исследования процессов возбуждения, протекания и детектирования спинового тока. Интерес к этим явлениям обусловлен тем, что через механизмы взаимодействия на границе раздела эпитаксиально выращенных тонких пленок оксидных материалов появляется возможность управлять характеристиками всей гетероструктуры. Соответственно, особое внимание уделяется отработке экспериментальных методов исследования спин-зависимых процессов.

  Схематичное изображение гетероструктуры SrIrO₃/La_0.7Sr_0.3MnO₃ на подложке (110)NdGaO₃ и 4-точечная схема измерения магнетосопротивления . Ток I задается в пленку SrIrO₃ вдоль оси X, угол φ между магнитным полем H (темно-фиолетовая стрелка) и током I (красная стрелка) изменяется в плоскости X-Y. В случае измерения слой SrIrO₃ отсутствует. Справа сверху: анизотропное магнетосопротивление La_0.7Sr_0.3MnO₃, внизу - продольное спиновое магнетосопротивление SrIrO₃/La_0.7Sr_0.3MnO₃ Цветом показаны нормированные амплитуды изменение магнитосопротивления ΔR/R₀ умноженные на 10⁴.

• Контактные явления в сверхпроводник-нормальный металл(ферромагнетик) гетероструктурах

  Руководитель направления Кислинский Юлий Вячеславович науч. сотр., к.ф.-м.н. эл. почта: [email protected] тел.: +7 (495) 629-74-31

   

  Изучение механизма протекания сверхпроводящего тока вызванного наличием сверхпроводящих триплетных корреляций в гибридных меза-структурах на основе гетероструктур из купратов и металлических сверхпроводников, нормальных металлов, магнитных материалов и материалов с сильным спин-орбитальным Изучение возбуждения и детектирования спинового тока в гетероструктурах из сверхпроводящих пленок и материалов с сильным спин-орбитальным взаимодействием. Через механизмы взаимодействия на границе раздела эпитаксиально выращенных тонких пленок оксидных материалов появляется возможность управлять характеристиками всей гетероструктуры. Планируется исследовать процессы, которые вызваны сильным спин-орбитальным взаимодействием. Будут экспериментально и теоретически исследованы процессы протекания спин-поляризованного тока в гетероструктурах, в том числе процессы, обусловленные спин-триплетным спариванием в прослойке гетероструктур

  а)

  б)

  а) сечение мезаструктуры из пленки YBa₂Cu₃O_7-x (YBCO), барьерный слой Sr₂IrO₄ или композитная двухслойка La_0.7Sr_0.3MnO₃/SrRuO₃. Верхний электрод Au/Nb, изоляция функциональных слоев из SiO₂. б)фотография подложки с пятью мезаструктурами, включенными в логопериодическую антенну. Контакты из Au.

  Стенд для измерения отклика образцов на частотах в гигагерцовом диапазоне частот. Для проведения спектральных измерений стенд оборудован спектр-анализатором Agilent MXAN 9020A (20 Гц – 3.6 ГГц) и генератором AgilentMXG (100кГц – 3ГГц). Слабые сигналы и шумы переходов в диапазоне от 0.2 Гц до 200 кГц измеряются фазочувствительными вольтметрами PAR 124A и PAR 5301, малошумящими усилителями 5184 и 5113 фирмы Signalrecovery (США –Англия) с шумовой температурой 100 К. Имеется электрометр марки Keithley 6517 (США) для измерения диэлектрических образцов с сопротивлениями до 1017 Ом.

• Впервые обнаружен сверхпроводящий ток в мезаструктурах S₁-I-S₂ с прослойкой I толщиной 5–7 нм из антиферромагнитного изолятора Sr₂IrO₄, обладающего сильным спин-орбитальным взаимодействием с энергией порядка 0.5 эВ. Верхний сверхпроводящий электрод S₁ – Au+Nb, нижний S₂ - YBa₂Cu₃O_7-δ. Наличие сверхпроводящего тока при указанных толщинах прослойки свидетельствует о возникновении триплетной компоненты сверхпроводящего параметра порядка в прослойке. Измеренные на постоянном токе ВАХ показали возникновение пика проводимости (zero bias conductance peak, рисунок б), который объясняется возникновением низко-энергетических уровней на границе раздела Sr₂IrO₄/YBa₂Cu₃O_7-δ. Под воздействием СВЧ облучения в мм диапазоне длин волн обнаруживались, помимо основных, дробные ступени Шапиро, свидетельствующие об отклонении ток-фазовой зависимости от синусоидальной и об образовании второй гармоники, что нельзя объяснить d-волновой симметрией для с-ориентированного YBa₂Cu₃O_7-δ сверхпроводника. В эксперименте наблюдается асимметрия в величинах критического тока, амплитуд ступеней Шапиро.

  а)

  б)

  Схематически представлен контакт s-сверхпроводника и антиферромагнитного изолятора с сильным спин-орбитальным взаимодействием (а) Схематично показан вертикальный мостик – переход, через который протекал сверхпроводящий ток, и на котором наблюдались описанные выше особенности. б) показано как выглядит пик проводимости «Zerobiaspeak» на ВАХ 40x40 мкм2 переходав гетероструктуре с 7 нм прослойкой при температуре 4.2К (синяя кривая), на зеленой кривой особенность отсутствует (T=8.4K).

  Публикации:
  

  • Г.А. Овсянников, А.С. Гришин, К.И. Константинян, А.В. Шадрин, А.М. Петржик, Ю.В. Кислинский, G. Cristiani , G. Logvenov“Сверхпроводниковые гетероструктуры с прослойкой из материала с сильным спин-орбитальным взаимодействием”.Физика твердого тела, том 60, вып. 11 c. 2125-2131 (2018)
  • A. M. Petrzhik,K. Y. Constantinian,G. A. Ovsyannikov,A. V. Zaitsev,A. V. Shadrin,A. S. GrishinYu. V. Kislinski,G. Cristiani,and G. Logvenov “Superconducting current and low-energy states in a mesa-heterostructure interlayered with a strontium iridate film with strong spin-orbit interaction”. PhysicalReviewB100, 024501 (2019)
  • A. M. Petrzhik, K. Y. Constantinian, G. A. Ovsyannikov, A. V. Shadrin, Yu. V. Kislinskii, G. Cristiani, and G. Logvenov“Superconducting Current in Mesa Structures with Interlayer of Strontium Iridate, a Material Having Strong Spin-Orbit Interaction”.Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, Vol. 14, No. 3, pp. 547–550(2020)
  • K Y Constantinian, A M Petrzhik, G A Ovsyannikov, A V Shadrin, Yu V Kislinskii, G Cristiani, and G Logvenov“Superconducting heterostructure with barrier with strong spin-orbit interaction”. Journal of Physics: Conference Series V. 1559 p. 012023 (2020)
  • Karén Y. Constantinian, Gennady A. Ovsyannikov, Yulii V. Kislinskii, Andrey M. Petrzhik“Triplet superconducting correlations in hybrid superconducting junctions”.

• Исследованы процессы генерации и детектирования спинового за счет обратного спинового эффекта Холла на частотах f = 2 – 5 GHz в зависимости от мощности спиновой СВЧ накачки на структуре, состоящей из эпитаксиальной пленки железо-иттриевого граната Y₃Fe₅O₁₂ (YIG), выращенной на подложке из галлий-гадолиниевого граната Gd₃Ga₅O₁₂ (GGG) и пленки платины (Pt) толщиной 10 нм. Из анализа формы спектров спинового тока, полученных в интервале мощности спиновой накачки P= 20 μW– 50 mW в температурном интервале T=77 – 300 K было обнаружено, что при увеличении мощности P амплитуда спинового тока, вызванная спин-волновыми резонансами поверхностных спиновых волн, становится сравнимой с вкладом от ферромагнитного резонанса на основной моде с k=0.

  Слева: зависимость спектра FMR dP/dH от магнитного поля H, T=78 K, f=5 GHz. На вставках – линии спинового тока V_Q(H), снятые на частоте накачки f=4.74 GHz для разнополярных направлений магнитного поля. Сплошными линиями на вставках показана аппроксимация V_Q(H) линиями Лоренца для k=0. Мощность СВЧ воздействия не превышала 3 mW. Справа: зависимость V_Q(H), f=2.1 GHz, P_in=10 mW (эксперимент – квадраты, сплошная красная линия – аппроксимация суммой четырех линий Лоренца, показанных пунктиром).

  Публикации:
  

  • К.И. Константинян, Г.А. Овсянников, К.Л. Станкевич, Т.А. Шайхулов, В.А. Шмаков, А.А. Климов. Влияние амплитуды СВЧ-воздействия на спиновый ток границы платина/железоиттриевый гранат. ФТТ, том 63, вып. 9, 1312- 1316, (2021)
  • Т.А. Шайхулов, К.Л. Станкевич, К.И. Константинян, В.В. Демидов, Г.А. Овсянников. Температурная зависимость напряжения, вызванного спиновым током в гетероструктуре манганит/иридат. ФТТ, том 63, вып. 9, 1321-1324, (2021)
  • G.A. Ovsyannikov, K.Y. Constantinian, K.L. Stankevich, T.A. Shaikhulov, A.A. Klimov. Spin current and spin waves at a platinum/yttrium iron garnet interface: impact of microwave power and temperature. J. Phys. D: Appl. Phys. 54, 365002: 54 365002 (2021)
  • Г.А.Овсянников, К.И.Константинян, В.А.Шмаков, А.В.Шадрин, Ю.В.Кислинский, Н.В.Андреев, Ф.О.Милович, А.П.Орлов, П.В. Лега// Спиновый ток и спиновое магнитосопротивление границы гетероструктуры иридат/манганит. РЭНСИТ, 2021, 13(4):479-486
  • К.И. Константинян, Г.А. Овсянников, А.В. Шадрин, В.А. Шмаков, А.М. Петржик, Ю.В. Кислинский, А.А. Климов. Спиновое магнитосопротивление гетероструктуры иридат стронция/манганит. Физика твердого тела, 2022, том 64, вып. 10, 1429-1432.
  • G. A. Ovsyannikov, K. Y. Constantinian, V. A. Shmakov, A. L. Klimov, E. A. Kalachev, A. V. Shadrin, N. V. Andreev, F. O. Milovich, A. P. Orlov, and P. V. Lega. Spin mixing conductance and spin magnetoresistance of the iridate/manganite interface. Phys. Rev. B 107, 144419 (2023)

• В сверхпроводящих меза-структурах Nb/Au/Sr₂IrO₄/YBa₂Cu₃O_x с прослойкой из Sr₂IrO₄ толщиной 5 nm, эпитаксиально выращенной на пленке YBa₂Cu₃O_x, наблюдаются резонансные ступени тока и эффект Джозефсона. Наблюдалось неравенство амплитуд критического тока I_C+≠I_C- при смене полярности задания электрического тока через структуру. Под воздействием электромагнитного облучения миллиметрового диапазона волн возникают осциллирующие с мощностью ступени Шапиро, указывающие на отсутствие закороток, как и нулевые минимумы на зависимости I_C(H). Отклонение от эквидистантности осциллирующих с полем-H ступеней Фиске и асимметрия зависимости I_C(H), вызвана, скорее всего, влиянием сильного спин-орбитального взаимодействия материала барьерной прослойки Sr₂IrO₄, известным как антиферромагнитный изолятор с высоким значением диэлектрической проницаемости.

  Слева: зависимости от магнитного поля среднего значения критического тока IC=(I_C++I_C-)/2 (квадраты) и амплитуды ступеней Фиске I₊₁(H) для n=+1 при V=+39 μV (красные символы);для n=-1 при V=-51 μV (синие символы). Справа: Ступени Фиске на H-V плоскости. Цифрами указаны номера n ступеней.

  Публикации:
  

  • Constantinian K.Y., Petrzhik A.M., Ovsyannikov G.A., Shadrin A.V., Kislinskii Yu.V., Cristiani G., Logvenov G. Superconducting heterostructure with barrier with strong spin-orbit interaction. 14TH EUROPEAN CONFERENCE ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY (EUCAS2019). Journal of Physics Conference Series, v. 1559, 012023 (2020)
  • Константинян К.И., Овсянников Г.А., Петржик А.М., Шадрин А.В., Кислинский Ю.В., Cristiani G., Logvenov G. Резонансные ступени тока в джозефсоновских структурах с прослойкой из материала, обладающего сильным спин-орбитальным взаимодействием. ФТТ, том 62, N9, 1385-1389.

• Представлены результаты экспериментального определения спинового угла Холла θ_SH  в гетероструктуре SrIrO₃/La_0.7Sr_0.3MnO₃ с нанометровой толщиной пленок путем измерения спинового магнитосопротивления (SMR). Определенная из продольного магнетосопротивления величина спинового угла Холла составила θ_SH^L≈0.04 ± 0.01, а из поперечного θ_SH^T≈0.35 ± 0.06. При понижении температуры от комнатной до T= 165 K величина поперечного магнетосопротивления спадала, а при T<150 K не обнаруживалась в пределах ошибки измерений. Для сравнения были проведены измерения одиночной пленки SrIrO3, на которой магнетосопротивление отсутствовало.

  Угловые зависимости нормированных значений изменения спинового магнитосопротивления, снятые при поле H=100 Э при T= 300 K Квадратные символы – результат эксперимента, красная линия аппроксимация~cos2φ. (a) поперечное ΔRY/R для Pt/LSMO (б) продольное ΔRX/R0 для Pt/LSMO (в) поперечное ΔRY/R для SIO/LSMO.

  Публикации:
  

  • G. A. Ovsyannikov , T. A. Shaikhulov, K. L. Stankevich, Yu. Khaydukov, and N. V. Andreev Magnetism at an iridate/manganite interface: Influence of strong spin-orbit interaction PHYSICAL REVIEW B 102, 144401 (2020)
  • К.И. Константинян, Г.А. Овсянников , А.В. Шадрин, В.А. Шмаков, А.М. Петржик, Ю.В. Кислинский, А.А. Климов Спиновое магнитосопротивление гетероструктуры иридат стронция/манганит Физика твердого тела, , том 64, вып. 10 1429-1432 (2022)
  • G. A. Ovsyannikov , K. Y. Constantinian , V. A. Shmakov, A. L. Klimov , E. A. Kalachev,A. V. Shadrin , N. V. Andreev, F. O. Milovich, A. P. Orlov , and P. V. Lega. Spin mixing conductance and spin magnetoresistance of the iridate/manganite interface PHYSICAL REVIEW B 107, 144419 (2023)

• Представлены результаты исследования ферромагнитного резонанса эпитаксиальных гетероструктур иридат/манганит в широком диапазоне частот СВЧ воздействия (1-20 GHz). Из частотной зависимости спинового затухания и изменения резонансного поля определены величины мнимой и действительной частей спиновой проводимости (spin – mixing conductance) границы гетероструктуры, определяющих величину спинового тока. Показано, что величина мнимой части спиновой проводимости существенно превышают реальную часть, что возможно вызвано присутствующим в 5d-оксидах переходных металлов (иридате) сильным спин-орбитальное взаимодействием.

  а)

  б)

  а) Зависимость от частоты F ширины линии ФМР ΔH для пленки LSMO (квадраты и треугольники) и гетероструктуры SIO3/LSMO (пятиугольники). Сплошными линиями показаны линейные аппроксимации экспериментальных данных. На вставке показан спектр S₁₂ (H) гетероструктуры при СВЧ воздействии на частоте F= 9 GHz. Сплошной линией показана аппроксимация спектра суммой линии Лоренца (пунктир) и дисперсионной зависимостью (штрих-пунктир).
  б) Зависимость резонансного поля ферромагнитного резонанса H₀ от частоты СВЧ воздействия F для трех структур: пленки LSMO (треугольники) и двух гетероструктур SIO3/LSMO (квадраты и круги). Толщины SIO3 и LSMO составляют значения 10 nm и 30 nm соответственно в обоих случаях. Сплошными линиями показаны зависимости H₀(F) из формулы Киттеля для ферромагнетика с одноосной анизотропией при магнитном поле, направленном вдоль оси легкого намагничивания . Увеличенный диапазон изменения H₀(F) показан на вставке.

  Публикации:
  

  • Г.А.Овсянников, К.И.Константинян, В.А.Шмаков, А.В.Шадрин, Ю.В.Кислинский, Н.В.Андреев, Ф.О.Милович, А.П.Орлов, П.В. Лега// Спиновый ток и спиновое магнитосопротивление границы гетероструктуры иридат/манганит. РЭНСИТ, 2021, 13(4):479-486
  • Г.А. Овсянников, К.И Константинян, Е.А. Калачев, А.А. Климов. Спиновая проводимость границы иридат/манганит//Письма в ЖТФ, 2022, Т. 48, №12, С. 44.

Выполняемые проекты :
1. Проект Российского научного фонда: РНФ-БРФФИ: Эпитаксиальные гетероструктуры на основе функциональных оксидных пленок нанометровой толщины для элементов спинтроники, в том числе сверхпроводниковой N 23-49-10006 (2023-2025)
2. Проект Российского научного фонда: Гибридные гетероструктуры из функциональных оксидных пленок нанометровой толщины для спинтроники N 23-79-00010 (2023-2026)