The Dynamic Proximity Effect in Superconductor –Ferromagnetic Insulator Hybrid Structures

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

This paper presents a theoretical study of the dynamics of the induced magnetization and spin cur-rent arising in a layer of an impure superconductor due to the proximity to a ferromagnetic dielectric with a uniform periodically precessing magnetization. The dynamics of the observed physical quantities is described within the semi-classical Usadel–Floquet formalism, which makes it possible to study the effect of a periodic perturbation on an inhomogeneous superconducting system. The spatial distributions and temporal evolu-tion of the induced magnetization and the superconducting spin current inside the superconductor layer are found from the numerical solutions of the system of Usadel–Floquet equations.

About the authors

Ya. V. Turkin

Higher School of Economics National Research University; Crimean Federal University

Email: yturkin@hse.ru
Moscow, 101000 Russia; Simferopol, 295007 Russia

N. G. Pugach

Higher School of Economics National Research University

Email: yturkin@hse.ru
Moscow, 101000 Russia

E. G. Ekomasov

Bashkir State University; Bashkir State Pedagogical University

Email: yturkin@hse.ru
Ufa, 450076 Russia; Ufa, 450008 Russia

B. G. L’vov

Higher School of Economics National Research University

Author for correspondence.
Email: yturkin@hse.ru
Moscow, 101000 Russia

References

  1. Linder J., Robinson J.W.A. Superconducting spintronics // Nature Phys. 2015. V. 11. № 4. P. 307–315.
  2. Ozaeta A., Virtanen P., Bergeret F.S., Heikkilä T.T. Predicted Very Large Thermoelectric Effect in Ferromagnet-Superconductor Junctions in the Presence of a Spin-Splitting Magnetic Field // Phys. Rev. Lett. 2014. V. 112. № 5. P. 057001.
  3. Bell C., Milikisyants S., Huber M., Aarts J. Spin-Pumping-Induced Inverse Spin Hall Effect in Nb/Ni80 Fe20 Bilayers and its Strong Decay Across the Superconducting Transition Temperature // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 100. № 4. P. 047002.
  4. Inoue M., Ichioka M., Adachi H. Spin pumping into superconductors: A new probe of spin dynamics in a superconducting thin film // Phys. Rev. B. 2017. V. 96. № 2. P. 024 414.
  5. Golovchanskiy I.A., Abramov N.N., Stolyarov V.S., Chi-chkov V.I., Silaev M., I.V. Shchetinin, Golubov A.A., Rya-zanov V.V., Ustinov A.V., Kupriyanov M.Yu. Magnetization dynamics in proximity-coupled superconductor–ferromagnet–superconductor multilayers // Phys. Rev. Appl. 2020. V. 14. № 2. P. 024086.
  6. Ojajärvi R., Heikkilä T.T., Virtanen P., Silaev M.A. Giant enhancement to spin battery effect in superconductor/ferromagnetic insulator systems // Phys. Rev. B. 2021. V. 103. № 22. P. 224 524.
  7. Petković I., Aprili M., Barnes S.E., Beuneu F., Maekawa S. Direct dynamical coupling of spin modes and singlet Josephson supercurrent in ferromagnetic Josephson junctions // Phys. Rev. B. 2009. V. 80. № 22. P. 220502.
  8. Yao Y., Song Q., Takamura Y., Cascales J.P., Yuan W., Ma Y., Yun Yu., Xie X. C., Moodera J.S., Han W. Probe of spin dynamics in superconducting NbN thin films via spin pumping // Phys. Rev. B. 2018. V. 97. № 22. P. 224 414.
  9. Jeon K-R., Ciccarelli C., Kurebayashi H., Cohen L.F., Montiel X., Eschrig M., Wagner T., Komori S., Srivastava A., Robinson J.W.A., Blamire M.G. Meissner Screening and Trapped Magnetic Flux on Magnetization Dynamics in Thick Nb/Ni80Fe20 /Nb Trilayers // Phys. Rev. Appl. 2019. V. 11. № 11. P. 014061.
  10. Jeon K.-R., Ciccarelli C., Ferguson A.J., Kurebayashi H., Cohen L.F., Montiel X., Eschrig M., Robinson J.W.A., Blamire M.G. Enhanced spin pumping into superconductors provides evidence for superconducting pure spin currents // Nat. Mat. 2018. V. 17. P. 499–503.
  11. Yagovtsev V.O., Gusev N.A., Pugach N.G., Eschrig M. The inverse proximity effect in strong ferromagnet–superconductor structures // Supercond. Sci. Techn. 2021. V. 34. № 2. P. 025003.
  12. Silaev M.A. Finite-frequency spin susceptibility and spin pumping in superconductors with spin-orbit relaxation // Phys. Rev. B. 2021. V. 102. № 14. P. 144521.
  13. Silaev M.A. Large enhancement of spin pumping due to the surface bound states in normal metal–superconductor structures // Phys. Rev. B. 2021. V. 102. № 18. P. 180502.
  14. Kato T., Ohnuma Y., Matsuo M., Rech T., Jonckheere T., Martin T. Microscopic theory of spin transport at the interface between a superconductor and a ferromagnetic insulator // Phys. Rev. B. 2019. V. 99. № 14. P. 144 411.
  15. Ojajärvi R., Bergeret F. S., Silaev M. A., Heikkilä T.T. Dynamics of Two Ferromagnetic Insulators Coupled by Superconducting Spin Current // Phys. Rev. Lett. 2022. V. 128. № 16. P. 167701.
  16. Simensen H.T., Johnsen L.G., Linder J., Brataas A. Spin pumping between noncollinear ferromagnetic insulators through thin superconductors // Phys. Rev. B. V. 103. № 2. P. 024524.
  17. Golovchanskiy I.A., Abramov N.N., Stolyarov V.S., Bolginov V.V., Ryazanov V.V., Golubov A.A., Alexey V.U. Ferromagnet/Superconductor Hybridization for Magnonic Applications // Advanced functional materials. V. 28. № 33. P. 1802375.
  18. Holmqvist C., Fogelström M., Belzig W. Spin-polarized Shapiro steps and spin-precession-assisted multiple Andreev reflection //Phys. Rev. B. V. 90. № 1. P. 014 516.
  19. Stoutimore M.J.A., Rossolenko A. N., Bolginov V.V., Oboznov V.A., Rusanov A.Y., Baranov D. S., Pugach N., Frolov S.M., Ryazanov V.V., Van Harlingen D. J. Second-Harmonic Current-Phase Relation in Josephson Junctions with Ferromagnetic Barriers // Phys. Rev. Lett. 2018. V. 121. № 17. P. 177702.
  20. Heim D.M., Pugach N.G., Kupriyanov M. Yu., Goldobin E., Koelle D., Kleiner R., Ruppelt N. The effect of normal and insulating layers on 0-π transitions in Josephson junctions with a ferromagnetic barrier // New J. Phys. 2015. V. 17. P. 113 022.
  21. Heim D.M., Pugach N.G., Kupriyanov M.Yu., Goldobin E., Koelle D., Kleiner R. Ferromagnetic planar Josephson junction with transparent interfaces: a φ junction proposal // New J. Phys. 2013. V. 25. № 23. P. 239 601.
  22. Pugach N.G., Kupriyanov M.Yu., Vedyayev A.V., Lacroix C., Goldobin E., Koelle D., Kleiner R., Sidorenko A.S. Ferromagnetic Josephson junctions with steplike interface transparency // Phys. Rev. B. 2009. V. 80. № 13. P. 134 516.
  23. Klenov N., Kornev V., Vedyayev A., Ryzhanova N., Pugach N., Rumyantseva T. Examination of logic operations with silent phase qubit // J. Phys.: Conference Series 2008. V. 98. P. 012037.
  24. Bakurskiy S.V., Klenov N.V., Kupriyanov M.Yu., Soloviev I.I., Khapaev M.M. Extraction of Inductances and Spatial Distributions of Currents in a Model of Superconducting Neuron // Comp. Mathem. Mathem. Phys. 2021. V. 61. № 5. P. 854–863.
  25. Soloviev I.I., Schegolev A.E., Klenov N.V., Bakurskiy S.V., Kupriyanov M.Y., Tereshonok, M.V., Shardin A.V., Stolyarov V.S., Golubov A.A. Adiabatic superconducting artificial neural network: Basic cells // J. Appl. Phys. 2018. V. 124. № 15. P. 152113.
  26. Schneider M.L., Donnelly C.A., Russek S.E., Baek B., Pufall M.R., Hopkins P.F., Dresselhaus P.D., Benz S.P., Rippard W.H. Ultralow power artificial synapses using nanotextured magnetic Josephson junctions // Sci. Advances. 2018. V. 4. № 1. P. e1701329.
  27. Bobkova I.V., Bobkov A.M., Silaev M.A. Spin torques and magnetic texture dynamics driven by the supercurrent in superconductor/ferromagnet structures // Phys. Rev. B. 2018. V. 98. № 1. P. 014521.
  28. Bobkova I.V., Bobkov A.M., Belzig W. Thermally induced spin-transfer torques in superconductor/ferromagnet bilayers // Phys. Rev. B. 2021. V. 103. № 2. P. L020503.
  29. Tokuyasu T., Sauls J.A., Rainer D. Proximity effect of a ferromagnetic insulator in contact with a superconductor //Phys. Rev. B. 1988. V. 38. № 13. P. 8823–8832.
  30. Cottet A., Huertas-Hernando D., Belzig W., Nazarov Y.V. Spin-dependent boundary conditions for isotropic superconducting Green’s functions //Phys. Rev. B. 2009. V. 80. № 18. P. 184 511.
  31. Eschrig M., Cottet A., Belzig W., Linder J. General boundary conditions for quasiclassical theory of superconductivity in the diffusive limit: application to strongly spin-polarized systems //New J. Phys. 2015. V. 17. № 8. P. 083037.
  32. Gusev N.A., Dgheparov D.I. Pugach N.G., Belotelov V.I. Magnonic control of the superconducting spin valve by magnetization reorientation in helimagnet // App. Phys. Lett. 2021. V. 118. № 23. P. 232601.
  33. Pugach N.G., Safonchik M., Champel T., Zhitomirsky M.E., Lähderanta E., Eschrig M., Lacroix C. Superconducting spin valves controlled by spiral re-orientation in B20-family magnets // Appl. Phys. Lett. 2017. V. 111. № 16. P. 162 601.
  34. Миронов С.В., Самохвалов А.В., Буздин А.И., Мельников А.С. Электромагнитный эффект близости и ЛОФФ неустойчивость в гибридных структурах сверхпроводник–ферромагнетик (Миниобзор) // Письма в ЖЭТФ. 2021. Т. 113. № 2. С. 102–111.
  35. Tagirov L.R. Low-Field Superconducting Spin Switch Based on a Superconductor // Phys. Rev. Lett. 1999. V. 83. № 10. P. 2058–2061.
  36. Водопьянов Б.П., Тагиров Л.Р. Осцилляции температуры сверхпроводящего перехода в бислоях сильный ферромагнетик–сверхпроводник // Письма в ЖЭТФ. 2003. Т. 78. № 9. С. 1043–1047.
  37. Leksin P.V., Garif’yanov N.N., Kamashev A.A., Validov A.A., Fominov Ya.V., Schumann J., Kataev V., Thomas J., Büchner B., Garifullin I.A. Isolation of proximity-induced triplet pairing channel in a superconductor/ferromagnet spin valve / Phys. Rev. B. 2016. V. 93. № 10. P. 100502(R).
  38. Brinkman A., Golubov A.A., Rogalla H., Wilhelm F.K., Kupriyanov M.Yu. Microscopic nonequilibrium theory of double-barrier Josephson junctions // Phys. Rev. B. 2003. V. 68. № 22. P. 224513.
  39. Oka T., Aoki H. Photovoltaic Hall effect in graphene // Phys. Rev. B. 2009. V. 70. № 8. P. 081406(R).
  40. Bergeret F.S., Volkov A.F., Efetov K.B. Induced ferromagnetism due to superconductivity in superconductor-ferromagnet structures // Phys. Rev. B. 2004. V. 69. № 17. P. 174504.
  41. Handbook of Spintronics / Ed. By Y. Xu et al. N.Y., London: Springer Science + Business Media Dordrecht, 2016. 1609 p.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (297KB)
3.

Download (51KB)
4.

Download (66KB)
5.

Download (193KB)


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».