mágnesség, nanoszerkezetek, ballisztikus transzport, spin-polarizáció, Andrejev-reflexió, pásztázó mágneses mikroszkóp, spintronika
Keywords in English
magnetism, nanostructures, ballistic transport, spin-polarization, Andreev-reflection, scanning magnetic microscopy, spintronics
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)
100 %
Ortelius classification: Solid state physics
Panel
Physics 1
Department or equivalent
Department of Physics (Budapest University of Technology and Economics)
Participants
Bordács, Sándor Cserti, József Geresdi, Attila Halbritter, András Kézsmárki, István Makk, Péter
Starting date
2008-04-01
Closing date
2012-03-31
Funding (in million HUF)
39.268
FTE (full time equivalent)
9.65
state
closed project
Summary in Hungarian
Az elektronok spin-állapotának vezérlése jelentős szerephez jut a jövő elektronikai fejlesztéseiben. A legtöbb spintronikai eszköz koncepciója a az elektron spinjének nanoméretű méretskálán történő manipulációján alapul, emiatt a kapcsolódó kvantumfizikai folyamatok megértése alapvető jelentőségű.
A pályázat a töltéshordozók spin-polarizációjának vizsgálatát célozza meg különböző ferromágnes/fém/szupravezető hibrid rendszerekben. A kísérletek alapvetően a fém-szupravezető felületeken végbemenő speciális töltéskonverzión alapulnak: a határfelületre érkező elektron az ún. Andreev reflexió során egy ellentétes spinű lyukként verődik vissza, a szupravezető oldalon pedig egy Cooper pár keletkezik. Spin-polarizált elektronrendszereknél a spin-megmaradás miatt az Andreev reflexió valószínűsége lecsökken; a rendszer spin-polarizációja a feszültség-áram karakterisztikák részletes elméleti analíziséből meghatározható.
Az Andreev spektroszkópiához kisméretű, ballisztikus kontaktusok szükségesek. A kísérleteket a laboratóriumunkban fejlesztett alacsonyhőmérsékleti piezo-rendszer segítségével végezzük, mellyel nagy stabilitású kontaktusok hozhatók létre a nanométeres méretskálán. A projekt keretében a mérőrendszert oldalirányú mozgatással is kiegészítjük. A minták minősítéséhez mágneses ellenállás, Hall és MOKE mérőrendszerek állnak rendelkezésre.
A tervezett kísérleti vizsgálatok közül példaként említjük meg a spin-polarizáció méréseket spintronikai szempontból érdekes anyagokon; a spin-diffúziós hossz mérését különböző fémekben; az Andreev reflexió vizsgálatát d-hullámú szupravezetőkön; ill. domén falak és granuláris mágneses rendszerek Andreev mikroszkópiáját.
A projekt keretében a kísérleti tapasztalatok szilárd elméleti háttérrel párosulnak, s ez lehetőséget nyújt jelentős eredmények elérésére a fenti kutatási területen. A szenior a kutatók egyúttal a projektben részt vevő PhD hallgatók és diplomamunkások témavezetői.
Summary
Controlling the spin states of electrons provides a significant versatility to future electronics. Most of the envisioned spintronic devices are based on spin transfer mechanisms on nanoscale, and this requires a more incisive understanding of the quantum physics involved.
In the framework of this project we propose the study of the spin polarization of charge carriers in various ferromagnet/metal/superconductor hybrid structures. The typical experiments are based on the mechanism of charge conversion at the metal-superconductor interface: when an electron is Andreev reflected as a hole with opposite spin, the corresponding conductance is reduced for spin polarized electron systems. The spin polarization can be determined from a detailed theoretical analysis of the conductance as a function of the chemical potential shift.
The Andreev-spectroscopy assumes ballistic transport. For the experiments we apply the cryogenic piezo-system developed in our laboratory, which allows the formation of nanometer-size stable contacts. During the project the device will be extended by lateral positioning. Additional experimental facilities for sample characterization are: magnetotransport, Hall and MOKE measurements.
Some specific examples of the planned research: determination of spin polarization in compounds promising for spintronic applications; measurement of the spin-diffusion length in various metals; Andreev reflexion on d-wave superconductors; Andreev-microscopy of domain-walls and granular magnetic systems.
The experimental and theoretical expertise brought together in the project offers a good chance to make a major contribution to the above research field. The senior scientists participating in the project are the supervisors of the PhD students, and guide also the work of graduate students involved in the research.
Final report
Results in Hungarian
A projekt keretében spin-polarizációs jelenségeket tanulmányoztunk Andrejev- és MOKE-spektroszkópiával. Saját építésű berendezéssel különböző ferromágneses anyagokban maghatároztuk a vezetési elektronok spin-polarizációjának értékét. Új eljárást dolgoztunk ki a spin-diffúziós hossz hőmérsékletfüggésének és telítési értékének meghatározására, működését modellkísérletekben demonstráltuk. A spintronikai alkalmazások szempontjából ígéretes anyagok széles körét tanulmányoztuk MOKE spektroszkópiával.
Vizsgáltuk a szupravezető-fém határátmenet mezoszkópikus transzportjelenségeit, és megmutattuk, hogy a diffúzív tartomány fáziskoherens térfogatának növekedésével proximity-szupravezetés jön létre.
Részletesen tanulmányoztuk az ionos vezetéstől származó ún. memrisztor jelenséget Ag-S felületi rétegen létrehozott kontaktusokban. A 3-5 nm mérettartományban kialakított kontaktusokban extrém nagy áramsűrűségnél rezisztív kapcsolási jelenséget figyeltünk meg. Elsőként állítottunk elő fémes tulajdonságú ionos nano-kapcsolókat, melyekről megmutattuk, hogy mindkét állapotában közel ballisztikus vezetés valósul meg, és nagysebességű kapcsolásra alkalmas ( <10 ns).
A projekt keretében összesen 15 publikáció készült. Nívós nemzetközi folyóiratokban jelent meg 12 publikáció, impakt faktor összegük: 64.485. A fémes Ag-S memrisztor kapcsolókra vonatkozó legújabb eredmények a Material Research Society 2011-es konferenciáján kerültek bemutatásra.
Results in English
In the framework of the project we studied spin polarization phenomena by Andrejev and MOKE spectroscopies. The degree of spin polarization has been determined in different ferromagnetic materials by applying a home made instrument. A new method has been worked out to determine the spin diffusion length, and the applicability was demonstrated by model experiments. A broad variety of materials promising for spintronic applications were studied by MOKE spectroscopy.
The mesoscopic transport phenomena of superconductor-metal interface were investigated and the presence of proximity superconduction have been shown to occur with the increase of the volume of the phase coherent diffusive regions.
The memristor effect originating form ionic conduction was investigated in details on contacts prepared at the surface layer of Ag-S thin films. Applying contacts in the 3-5 nm range and extremely large current densities allowed to observe the resistive switching phenomenon. We were the first to prepare ionic nano-switches of metallic character and we have shown that close to ballistic conduction is realized in both states of the switch and it is appropriate for high frequency (<10 ns) switching.
In the framework of the project 15 publications were prepared. 12 of them appeared in high level international scientific journals, the comulated impact factor is: 64.485.
