Superconductivity and macroscopic quantum effects in superconducting/ferromagnetic hybrid nanostructures

Hybrid nanostructures not only open new routes for studying the coexistence of superconductivity and ferromagnetism, but they also provide new insights into the fundamentals of quantum electronics. We have investigated, by a series of experiments, the change in the superconducting wavefunction resulting from the interaction between the spins of a Cooper pair and the exchange field. Tunneling spectroscopy reveals an inhomogeneous Fulde–Ferrell–Larkin–Ovchinnikov (FFLO) superconducting state induced in a ferromagnetic thin film by the proximity effect. As a consequence, critical current and macroscopic quantum interference (SQUID) experiments show π-coupling between two superconductors coupled through a ferromagnetic thin film. π-coupling originates a spontaneous half quantum flux in a superconducting ring. This phase transition has been observed by Josephson and Hall magnetometry. To cite this article: M. Aprili et al., C. R. Physique 7 (2006).

RésuméLes nanostructures hybrides ouvrent des nouvelles perspectives pour étudier la coexistence entre deux états fondamentaux antagonistes : la supraconductivité et le ferromagnétisme. Elles permettent également de créer des nouveaux dispositifs pour l'électronique quantique. Nous avons étudié par une série d'expériences l'état supraconducteur original qui se produit à l'intérieur d'un matériau ferromagnétique à cause de l'interaction entre les spins d'une paire de Cooper et le champ d'exchange. Les mesures de spectroscopie tunnel montrent qu'un état supraconducteur inhomogène, de type Fulde–Ferrell–Larkin–Ovchinnikov (FFLO), est induit dans une couche mince ferromagnétique par effet de proximité. Nous avons montré par ailleurs que le couplage Josephson entre cet état et une électrode supraconductrice est négatif (couplage-π) par des mesures de courant critique et d'interférence quantique macroscopique (SQUID). Le couplage π représente une « batterie de phase » et produit un supercourant spontané lorsque la jonction ferromagnétique est insérée dans un anneau supraconducteur. Le flux magnétique associé à ce courant est d'un demi-quantum de flux. Cette transition de phase à basse température a été observée par magnétométrie Josephson et magnétométrie Hall. Pour citer cet article : M. Aprili et al., C. R. Physique 7 (2006).