Creation of spin-triplet cooper pairs in quasi-2D superconductor-helimagnet devices

In condensed matter physics, the interaction between superconductors and magnetic ma terials within two-dimensional (2D) van der Waals (vdW) heterostructures has become an active and rapidly growing field. These proximity effects offer a promising window into emergent quantum phenomena and are of particular interest for their potential to inform the design of superconducting spintronic devices and quantum technologies. This research centers on a detailed investigation of the superconducting proximity effect in hybrid systems formed by stacking thin layers of NbSe2, a well-known layered super conductor, and Mn1/3NbS2, a chiral helimagnet. The fabrication of these heterostructures involved mechanical exfoliation of both materials under an inert nitrogen atmosphere, fol lowed by deterministic transfer onto lithographically patterned gold electrodes using the dry “pick-up” method. One of the key technical challenges encountered was the removal of the poly(methyl methacrylate) (PMMA) membrane post-transfer. Complete removal risked damaging the delicate vdW layers, so a thin residual polymer layer was intentionally left to preserve structural integrity. The devices were characterized using low-temperature magnetotransport measurements performed in a cryogen-free system, with magnetic fields applied parallel to the layers. The superconducting transition temperature (Tc) of NbSe2—measured at approximately 6.9K in zero field—showed a gradual reduction with increasing in-plane magnetic field, which is consistent with the expected response of conventional superconductors. Notably, a subtle dip in the Tc versus field (Tc(H)) curves near ±0.13T was observed. This feature is interpreted as a consequence of a magnetic phase transition in the Mn1/3NbS2 layer, where the system shifts from a helimagnetic to a forced ferromagnetic state. This transition likely enhances local stray fields at the interface, leading to an additional suppression of Tc. Furthermore, the Tc(H) curves exhibited magnetic hysteresis, indicating that the super conducting response is sensitive to the magnetic history of the adjacent helimagnetic layer. Despite these findings, the measurements did not reveal clear evidence of enhanced or sus tained Tc under specific magnetic field conditions—an indicator typically associated with long-range spin-triplet Cooper pairing. Instead, the behavior aligns with conventional ii | Abstract proximity effects, where spin-singlet pairing remains dominant and superconductivity is suppressed primarily by orbital depairing mechanisms, Zeeman effects, and interfacial stray fields. In conclusion, the Mn1/3NbS2/NbSe2 heterostructure displays superconducting and mag netic coupling behaviors consistent with standard proximity interactions in 2D systems. Although long-range triplet correlations were not observed, the study offers meaningful insights into the fundamental mechanisms that govern superconductivity and magnetism at the atomic scale in engineered hybrid materials.

Nel campo della fisica della materia condensata, l’interazione tra superconduttori e ma teriali magnetici all’interno di eterostrutture bidimensionali (2D) di tipo van der Waals (vdW) è diventata un’area di ricerca attiva e in rapida espansione. Questi effetti di prossimità offrono una finestra promettente su fenomeni quantistici emergenti e suscitano particolare interesse per il loro potenziale nel guidare lo sviluppo di dispositivi supercon duttori spintronici e tecnologie quantistiche. Questa ricerca si concentra su un’indagine dettagliata dell’effetto di prossimità supercon duttivo in sistemi ibridi ottenuti sovrapponendo sottili strati di NbSe2, un noto super conduttore stratificato, e Mn1/3NbS2, un elimagnete chirale. La fabbricazione di queste eterostrutture ha comportato l’esfoliazione meccanica di entrambi i materiali in atmosfera inerte di azoto, seguita dal trasferimento deterministico su elettrodi d’oro litografati uti lizzando il metodo a secco "pick-up". Una delle principali sfide tecniche incontrate è stata la rimozione della membrana di polimetilmetacrilato (PMMA) dopo il trasferimento. La rimozione completa rischiava di danneggiare i delicati strati vdW, quindi si è scelto di lasciare intenzionalmente un sottile strato residuo di polimero per preservare l’integrità strutturale. I dispositivi sono stati caratterizzati mediante misure di magnetotrasporto a bassa temper atura, effettuate in un sistema cryo-free, con campi magnetici applicati parallelamente ai piani degli strati. La temperatura di transizione superconduttiva (Tc) del NbSe2, misurata a circa 6.9K in assenza di campo, ha mostrato una riduzione graduale con l’aumentare del campo magnetico nel piano, in accordo con il comportamento previsto per supercon duttori convenzionali. In particolare, si è osservato un lieve minimo nelle curve Tc vs campo (Tc(H)) attorno a ±0.13T. Questo comportamento è stato interpretato come il risultato di una transizione di fase magnetica nel Mn1/3NbS2, in cui il sistema passa da uno stato elimagnetico a uno ferromagnetico forzato. Tale transizione potrebbe incre mentare i campi di dispersione locali all’interfaccia, causando un’ulteriore soppressione di Tc. Inoltre, le curve Tc(H) hanno mostrato isteresi magnetica, indicando che la risposta super conduttiva è sensibile alla storia magnetica dello strato elimagnetico adiacente. Nonos tante questi risultati, le misure non hanno evidenziato chiari segnali di un aumento o mantenimento di Tc in specifiche condizioni di campo magnetico—una firma tipica della formazione di coppie di Cooper di tipo tripletto a lungo raggio. Al contrario, il compor tamento osservato è coerente con gli effetti di prossimità convenzionali, dove prevalgono accoppiamenti di tipo singoletto e la superconduttività è soppressa principalmente da meccanismi di disaccoppiamento orbitale, effetti di Zeeman e campi di dispersione inter faciali. In conclusione, l’eterostruttura Mn1/3NbS2/NbSe2 mostra comportamenti di accoppia mento superconduttivo e magnetico coerenti con gli effetti di prossimità standard nei sistemi 2D. Sebbene non siano state osservate correlazioni tripletto a lungo raggio, lo stu dio fornisce spunti significativi per comprendere i meccanismi fondamentali che regolano la superconduttività e il magnetismo su scala atomica nei materiali ibridi ingegnerizzati.