[論文レビュー] Altermagnetic superconducting diode effect from non-collinear compensated magnetism in Mn$_3$Pt

Schrade, Constantin, Sujit Manna+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2026

Topological Materials and Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文は Mn3Pt/Nb ヘテロ構造における超伝導ダイオード効果（SDE）の理論を提案し、総磁化ゼロで非共線のアルテル磁性テクスチャが近接結合超導性を介して非再帰的臨界電流を誘導する仕組みと、磁気秩序を区別する角度および場依存性を詳述する。

ABSTRACT

Altermagnets have recently emerged as a distinct class of magnetic systems that exhibit spin splitting of electronic bands while retaining zero net magnetization. This unique combination makes them a promising platform for time-reversal symmetry-breaking superconducting phenomena, although identifying concrete material platforms remains an important open challenge. Here, we develop a theory for the superconducting diode effect observed experimentally in a Mn$_3$Pt-superconductor heterostructure. Using both a symmetry analysis and model calculations on the breathing kagome lattice, we show how the altermagnetic spin textures in Mn$_3$Pt generate a spin splitting of the electronic bands that remains magnetization-free even in the presence of spin-orbit coupling and, upon taking into account the proximity coupling across the interface, produces a superconducting diode effect. We also demonstrate that the angular dependence of the critical current provides a probe of the magnetic order. We hope that our work will contribute to the understanding and further discovery of candidate materials for novel altermagnet-superconductor hybrid devices.

研究の動機と目的

• 非共線秩序と零総磁化のためのアルテル磁性の動機づけと定義を提示する。
• Mn3Ptの呼吸ブロック状 kagome格子がアルテル磁性スピンテクスチャをどのようにホストするかを説明する。
• 近接誘導超導性とそれが超伝導ダイオード効果に果たす役割を分析する。

提案手法

• AをMnサブ格子A,B,Cを含む呼吸カゴメ格子上の密結合模型を構築する。
• 非共線磁秩序T1およびT2を組み込み、スピン軌道結合の有無でスピンテクスチャを解析する。
• Pi_SC(q)とPi_AM(q)を計算し、超伝導不安定性と運動量依存性を調べる。
• 界面トンネルT0を介してアルテル磁性体と従来のs波超導体を結合させ、効果的自由エネルギーF_eff(q)を導出する。
• 2e∂qF_eff(q)から近接誘導秩序パラメータと超電流J(q)の表式を導出する。
• T1とT2相に対してダイオード効率η(θ)とその角度依存性を評価し、対称性に基づく零点と実験的符号を同定する。

Figure 1: Noncollinear altermagnetic platform for a superconducting diode effect. (a) Crystal structure of Mn 3 Pt, where Mn moments form a breathing kagome lattice in the $(111)$ plane (blue: Mn, brown: Pt). (b) Mn 3 Pt altermagnet proximitized by a conventional superconductor, giving rise to a SDE

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mn3Ptの非共線補償磁性は零総磁化の下でどのように超伝導ダイオード効果を実現するのか？
• RQ2 s波超導体への近接結合は有限運動量対称性の対の生成と非再対称臨界電流にどう寄与するのか？
• RQ3 T1とT2磁秩序はダイオード効率の角度依存性でどう異なり、実験的に二相を区別できるか？
• RQ4 スピン軌道結合はスピンテクスチャをどう修正し、Mn3PtのSDEにどう寄与するのか？
• RQ5 磁場と角度依存測定におけるアルテル磁性SDEの予測署名は何か？

主な発見

• Mn3Pt/Nbで近接誘導対により超伝導ダイオード効果が生じるが、Mn3Pt自体は独立して超伝導性を示さない。
• Pi_AM(q)はqに対して偶ではなく、C3対称性によって有限運動量に最大値を持つ。これによりアルテル磁性における有限運動量の近接誘導対が生じる。
• 近接結合T0は電流に対して非対称で磁性に起因する寄与を導入し、従来の超導体項より非再対称性を高める。
• モデルは、パラメータ設定下でT2相のダイオード効率を約4%、T1相を約9%程度まで予測する。
• η(θ)の角度依存性はT1とT2で異なり、別々の角度で零点を持つため、二つの秩序を分光学的に区別する手がかりになる。
• 外部磁場Bを増加させると、 reciprocal超導寄与をアルテル磁性の非再対称チャネルに対して抑制することでηが増大する。
• 結果は実験観察と概して整合し、Mn3Pt系ハイブリッドにおけるアルテル磁性超導性を同定する署名を提供する。

Figure 2: Normal state bands and Fermi surface spin textures for the T2 phase. (a) Band structure along $\Gamma$ – $M$ – $K$ – $\Gamma$ without spin-orbit coupling ( $\lambda=\lambda^{\prime}=0)$ , showing an altermagnetic spin splitting. (b) Same as (a) but with a staggered spin-orbit coupling on t