CuMnAs/Al and MnTe/Al Magnetic Material-Superconductor Heterostructures

Abstract

Magnetic material-superconductor heterostructures are promising candidates for applications in superconducting electronics and superconducting spintronics. This thesis investigates bar devices of two different magnetic material-superconductor heterostructures: CuMnAs/Al and MnTe/Al, where CuMnAs is an antiferromagnet (AFM) and MnTe is an altermagnet. AFMs and altermagnets are interesting for use in spintronics due to their net zero magnetization resulting in no stray fields. During measurements the MnTe/Al heterostructure showed directional dependence of the sheet resistance, and logarithmically increasing resistance with decreasing temperature. No superconductivity was observed, which is speculated to be from magnetic moments in MnTe suppressing superconductivity. The temperature dependence of the resistance could be due to weak localization or the Kondo effect. The CuMnAs/Al sample showed strong hysteresis with regards to field history. An out of plane field was used to non-monotonically shift the peak switching current as a function of in plane field, and a W-shaped switching current as a function of in-plane field was found for both studied devices depending on the field history. Furthermore, a large zero-field superconducting diode effect (SDE) (η≥18 %) for both studied devices was found, with a maximum of η = 22.7 %. This result makes the CuMnAs/Al heterostructure a promising candidate as a zero-field superconducting diode without stray field. The origin of the zero-field SDE as well as of the out of plane field history effects on the switching current behavior is speculated to be due to uncompensated magnetic moments near the CuMnAs/Al interface. The W- shaped switching current as a function of magnetic field might be explained by spin canting.

Popular Abstract (Swedish)

Under de senaste åren har kvantteknologi vuxit fram som ett nytt område där det satsas stora pengar inom Sverige och resten av världen. Detta är teknologi där kvantfysikens effekter dras nytta av på olika sätt, exempelvis genom kvantdatorer, väldigt känsliga magnetmätare, eller elektronik som kan överföra information utan energiförluster. Mångaavdessateknikerärbaseradepåsåkalladesupraledare, vilka är spännande eftersom de uppvisar kvantmekaniskt beteende även i relativt stora system. Dessa effekter visar sig i supraledarnas oändligt stora ledningsförmåga samt genom att det inte kan finnas något magnetfält i deras innandömen. Supraledning är en egenskap som vissa material, exempelvis aluminium, får när de kyls ned till väldigt låga temperaturer. Ofta krävs det att de kyls ned till några enstaka kelvin, där 0 K är den absoluta nollpunkten (−273.15 ◦C). Detta är väldigt låga tempera- turer, och mätningarna i den här avhandlingen har gjorts i en speciell kyl som kan nå temperaturer på bara några tusendelars grad över den absoluta nollpunkten. Traditionelltharsupraledareslutatuppvisakvantegenskapernärdeläggsinärheten av magneter. På senaste tiden har dock samspelet mellan supraledare och magneter undersökts vidare, och visats leda till nya exotiska typer av supraledning som kan vara av nytta inom spinntronik: teknik som utnyttjar elektroners spinn för att över- föra eller lagra information. Det har också visat sig att magneter kan användas för att bygga supraledande dioder genom att läggas i nära anslutning till supraledarna. Dessa dioder kan sägas vara den supraledande motsvarigheten till vanliga dioder, och karakteriseras av att supraledarens oändliga ledningsförmåga endast gäller i en riktning. Sådana dioder är viktiga byggstenar för utvecklingen av framtidens elektronik.

Hittills har forskningen på samspelet mellan supraledare och magneter mest fokuserat på så kallade ferromagneter. Dessa är de magneter man stöter på i vardagen, som exempelvis kylskåpsmagneter. I det här arbetet har istället ett antiferromagnetiskt och ett altermagnetiskt material utforskats. Antiferromagnetiska och altermagnetiskamaterialharintevaritkändalikalängesomferromagneter, eftersom de inte avger några magnetiska fält. Trots detta anses de vara magnetiska material eftersom det finns en slags ordning i hur elektronernas spinn ligger i materialen. I icke-magnetiska material ligger de istället huller om buller. Altermagnetiska och antiferromagnetiska material skiljer sig endast på ett väldigt subtilt sätt från varandra, vilket är varför altermagnetism inte upptäckts förrän nyligen. Eftersom dessa material inte avger några magnetiska fält, påverkar de inte andra komponenter som kan vara känsliga för magnetfält, vilket gör att de är lovande för användning inom spinntronik.

I denna avhandling har två olika material undersökts. Ett som kombinerar en antiferromagnet med aluminium, och ett som kombinerar en altermagnet med aluminium. Det undersökta materialet med altermagneten visade ingen supraledning, vilket kan betyda att altermagnetismen förstörde supraledningen. Materialet med antiferromagnetenvisaroväntadeegenskaperdärsupraledningenförstärksvidstörre yttre magnetiska fält. Det visar sig också vara en potentiell kandidat för användning som supraledande diod, med stor diodeffekt.

• author: Edwinson, Tobias
• supervisor: Martin Leijnse; Saulius Vaitiekenas
• organization: Solid State Physics; Department of Physics
• course: PHYM01 20261
• year: 2026
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: magnet, superconductor, cumnas, mnte
• language: English
• id: 9243089
• date added to LUP: 2026-08-31 09:36:42
• date last changed: 2026-08-31 09:36:42