자기 텍스처가 제어하는 초전도성: InAs/EuS/Al 나노와이어에서 도메인벽·다중도메인 평균 초전도 현상

초록

InAs/EuS/Al 전완 껍질 나노와이어에서 스캐닝 SQUID와 저온 전송 측정을 결합해, EuS의 다중 도메인 상태에서만 Al 껍질이 초전도성을 보이고, 단일 도메인 포화 상태에서는 초전도가 사라짐을 확인하였다. 도메인벽은 외부 자기장을 1 mT 이하로 조절해 약 5.5 µm/mT 속도로 이동시킬 수 있어, 위치 가변 초전도 영역을 구현할 수 있다.

상세 분석

본 연구는 1차원 초전도‑강자성 나노와이어에서 Zeeman 효과가 초전도성을 억제하는 메커니즘을 정량화하고, 그 억제가 국소적으로 완화되는 두 가지 경우, 즉 도메인벽 초전도(DWS)와 다중도메인 평균 초전도(MDAS)를 실험적으로 검증한다. InAs 코어에 3–10 nm 두께의 EuS와 4–10 nm Al을 전면 피복한 전완 껍질 구조는 EuS가 제공하는 강자성 교환장(H_exch)이 Al 내부에 직접 전달되어 평균 Zeeman 장이 ξ_Al≈200 nm 규모에서 거의 일정하게 작용한다. 따라서 EuS의 자화가 ξ_Al보다 작은 도메인들로 분산될 경우, 평균 Zeeman 장이 거의 0에 가까워져 초전도 순서 매개변수 |Ψ|가 회복된다. 저자들은 스캐닝 SQUID 마그네토메트리를 이용해 4.2 K에서 나노와이어 전체의 z‑축 자기 플럭스를 실시간 영상화했으며, 0 mT에서 다중 양·음극 플럭스 로브가 나타나는 다중 도메인 상태와, ±8 mT에서 양끝에만 플럭스가 집중되는 단일 도메인 상태를 명확히 구분했다. 특히 -0.8 mT 부근에서 새로운 도메인이 핵심부에 nucleate되고, -2.4 mT에서 명확한 도메인벽이 형성된 뒤, -3.5 mT(강제장 H_c)에서 두 도메인이 거의 동등한 크기로 확장되며 중간에 거의 0인 플럭스 구역(≈3.7 µm)으로 나타난다. 이 구역은 도메인벽이 연속적으로 이동하거나 수십 나노미터 규모의 미세 도메인들로 분해되는 과정으로 해석된다. 도메인벽 이동 속도는 5.5 µm/mT로, sub‑mT 수준의 외부 필드 변화만으로도 마이크로미터 단위 위치 제어가 가능함을 보여준다.

전기 전송 측정은 30 mK에서 4‑프로브 차동 저항 dV/dI를 기록했으며, SQUID 영상과 일치하게 EuS가 다중 도메인 상태일 때만 저전압에서 저항이 급격히 감소하고, 전형적인 초전도 전류‑전압 특성을 보였다. 초전도성은 H_n≈-13 mT(또는 +10 mT)에서 시작해 H_ann≈±18 mT에서 사라지며, 이는 EuS의 강제장 H_c와 거의 일치한다. 또한 외부 자기장의 방향 φ를 변화시켰을 때, 강제장 윈도우가 φ에 따라 이동·확장되는 것이 SQUID 영상과 전송 데이터 모두에서 관찰되었다. 이는 마이크로자기학 시뮬레이션이 예측한 H_c(φ)와도 좋은 일치를 보이며, 도메인 구조와 초전도성 사이의 인과관계를 강하게 뒷받침한다.

핵심적인 물리적 통찰은 다음과 같다. (1) EuS의 자화 텍스처가 ξ_Al보다 작은 스케일로 변조될 경우, Zeeman 평균이 억제되어 Al 껍질에 국소적인 초전도성이 회복된다. (2) 도메인벽 자체가 초전도 영역을 형성할 수 있으며, 외부 필드에 의해 연속적으로 이동 가능하다. (3) 다중 도메인 평균 초전도는 도메인 크기가 ξ_Al 이하인 경우에 전역적인 초전도 네트워크를 형성한다. 이러한 현상은 초전도‑강자성 하이브리드 나노구조에서 토폴로지컬 초전도 상태(예: 마요라나 바운드 상태)나 스핀‑전하 결합을 이용한 Andreev 스핀 큐비트, 초전도 로직 스위치, 비휘발성 메모리 등 새로운 양자·고전 디바이스 설계에 직접 활용될 수 있다.