Magnetic proximity effect between NbSe2 and CrPS4 Van der Waals heterostructure

Abstract

In the junction of superconductor (SC) and ferromagnet (FM), the superconductivity can be tuned by exchange fields originating from FM. In the FM/SC/FM structure, using the phenomenon that the stronger the exchange field, the weaker the superconductivity, the control of superconducting transition temperature (TC) and infinite magnetoresistance (MR) according to the relative magnetization orientation between the two FM layers were reported. Furthermore, recently, the separation of Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) singularity in the EuS/Al structure was also realized even in no external magnetic field. Previous research, however, are lack of studies in various systems, and have not been carried out on the single crystalline 2D van der Waals (vdW) materials. Taking advantage of this cleanness of 2D materials, we performed our research using vdW SC NbSe2 and antiferromagnetic insulator (AFI) CrPS4. In CrPS4/NbSe2/CrPS4 structure, it was confirmed that the superconducting state of the NbSe2 layer could be broken by the exchange field of CrPS4, and the region of non-dissipative transport could be varied according to the relative magnetization of two CrPS4 layers, producing Infinite MR. However, because some results such as separation of BCS singularity and suspected spin transport were not confirmed due to the structural problems of our devices, further experiments are currently being planned by designing new devices. Nevertheless, through the fact that clear magnetic proximity effects between NbSe2 and CrPS4 were identified for the first time in an vdW heterostructure, we suggest that the CrPS4/NbSe2 heterostructure can be a new and potential platform for studying exchange field between SC and FM.

초전도체(SC)와 강자성체(FM)의 접합에서, 초전도 상태는 강자성체로 인한 Exchange field로 인해 조절될 수 있다. Exchange field가 강해질수록 초전도 상태가 약해지는 성질을 이용하여 FM/SC/FM 구조에서 두 자성체의 상대적 자화 방향에 따른 초전도 전이 온도의 조절, 무한대의 자기저항이 실험적으로 보고되었으며, 최근에는 EuS/Al 구조에서 외부 자기장이 가해지지 않은 상태에서도 초전도 갭 부근에서 스핀 방향에 따른 에너지 레벨의 분리 또한 실현되었다. 그러나 기존 연구는 모두 다결정 나노 필름 형태의 구조에서 실험이 진행되어 왔으며, 원자단위로 평평하고 결함이 최소화된 2차원 반데르발스 물질에서의 연구는 아직 진행된 바 없다. 이런 장점을 활용, 2차원 반데르발스 초전도체 NbSe2와 반강자성체 CrPS4를 사용하여 단결정 수준에서 연구를 진행하였다. CrPS4/NbSe2/CrPS4 구조에서 CrPS4의 Exchange field에 의해 NbSe2층의 초전도 상태가 깨질 수 있음을 확인하였고, NbSe2에 인접한 위층과 아래층 CrPS4의 자화 방향이 평행/반평행한 경우에 따라 NbSe2의 비소산성(Non-dissipative) 전류 수송이 유지되는 영역이 실제 측정이 가능한 수준으로 확연하게 달라짐을 확인함으로써 무한대의 자기저항을 측정하였다. 또한, 소자 구조상의 문제로 확실한 분석이 불가능했던 스핀 수송, 스핀 방향에 따른 에너지 레벨의 분리에 대한 검증을 위하여 기존 소자가 갖는 문제점을 개선한 새로운 소자를 디자인하여 현재 추가 실험을 계획 중에 있다. 비록 아직 추가 실험과 분석이 필요한 단계이지만, 원자층 단위로 조절이 가능한 2차원 반데르발스 구조에서는 최초로 초전도체와 자성체 사이의 명확한 자기 근접 효과를 확인하였기에, CrPS4와 NbSe2의 반데르발스 이종접합 구조가 Exchange field 연구를 위한 새롭고 잠재력 높은 플랫폼이 될 수 있음을 제시하였다.