[論文レビュー] Colloquium: Spin-orbit effects in superconducting hybrid structures

Morten Amundsen, Jacob Linder+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、ハイブリッド構造におけるスピン軌道相互作用（SOC）と超伝導性の相乗効果をレビューし、SOCが長寿命のスピン三重項コープアー対を生成し、超電流ダイオード効果や超伝導スピンホール効果といった新しい現象を可能にすることを示している。主な貢献は、s波超伝導ヘテロ構造におけるSOCが、エネルギー効率が良く、損失のないスピントロニクス素子およびトポロジカルな量子状態への道筋を提供することを理論的・実験的に包括的に示したことにある。

ABSTRACT

Spin-orbit coupling (SOC) relates to the interaction between an electron's motion and its spin, and is ubiquitous in solid-state systems. Although the effect of SOC in normal-state phenomena has been extensively studied, its role in superconducting hybrid structures and devices opens many unexplored questions. In conjunction with broken symmetries and material inhomogeneities within superconducting hybrid structures, SOC may have additional contributions, beyond its effects in homogenous materials. Remarkably, even with well-established magnetic or nonmagnetic materials and conventional s-wave spin-singlet superconductors, SOC leads to emergent phenomena including equal-spin triplet pairing and topological superconductivity (hosting Majorana states), a modified current-phase relationship in Josephson junctions, and nonreciprocal transport. SOC is also responsible for transforming quasiparticles in superconducting structures which enhances the spin Hall effect and changes spin dynamics. Taken together, SOC in superconducting hybrid structures and the potential for electric tuning of the SOC strength, creates fascinating possibilities to advance superconducting spintronic devices for energy-efficient computing, and enable topological fault-tolerant quantum computing. By providing a description of experimental techniques and theoretical methods to study SOC, this Colloquium describes the current understanding of resulting phenomena in superconducting structures and offers a framework to select and design a growing class of materials systems where SOC plays an important role.

研究の動機と目的

• スピン軌道相互作用（SOC）を有する超伝導スピントロニクス分野における最近の理論的・実験的進展を統合すること。
• s波超伝導ヘテロ構造において、スピンsingletコープアー対がスピン偏極したスピン三重項対に変換される過程におけるSOCの役割を特定すること。
• SOCを介した三重項対生成の可能性を、エネルギー効率の良い冷却コンピューティングおよび量子技術分野に応用することの探求。
• 超伝導デバイスにおける非平衡スピン輸送現象およびトポロジカル状態を実現するにあたっての未解決課題と今後の方向性を整理すること。

提案手法

• SOC結合ハイブリッド構造における準粒子状態および超伝導秩序パラメータをモデル化するため、ボゴリューボフ＝デ・ゲーンズ形式の適用。
• スピン依存輸送および超伝導接合におけるプロキシミティ効果を記述するため、準古典的理論の使用。
• SOC存在下での超伝導相転移および磁気的異方性の変化を分析するため、ギンツブルグ＝ランダウ形式の採用。
• 強いSOCを持つ界面における境界条件の理論的導出により、非平衡ダイナミクスおよびスピンホール効果のモデル化を可能に。
• 設計されたSOCおよび磁気的不均一性を有するジョセフソン接合の分析により、三重項対輸送および電流-位相差関係の解明。
• 理論的予測の妥当性を検証するため、トンネル分光法、転移温度測定、磁化ダイナミクスといった実験的手法の統合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン軌道相互作用は、s波超伝導ヘテロ構造においてスピンsinglet対からスピン三重項対への変換をどのように可能にするか？
• RQ2 磁気的不均一性が存在しない超伝導接合において、長距離超電流がどのようにして維持可能か？
• RQ3 時間的に変化するスピン軌道相互作用は、ジョセフソン接合の電流-位相差関係およびダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ4 強い内部SOCを有する材料において、三重項コープアー対を抑制する主要な散乱機構は何か？
• RQ5 超伝導的スピンホール効果の類似現象は実験的に観測可能か？その結果、非損失スピン輸送にどのような意味を持つのか？

主な発見

• s波超伝導ヘテロ構造におけるスピン軌道相互作用により、磁性層が存在しない状況でも、長寿命でスピン偏極したスピン三重項コープアー対が生成可能である。
• 実験的証拠により、高レベルの内部SOCにより、通常状態では三重項対が抑制され、超伝導状態では遮断されることが示され、強い散乱機構が存在することが示唆されている。
• 理論的モデルは、単層超伝導体における時間的変化するSOCを支持しており、外部バイアス電流なしで電流-位相差関係の調整が可能であることを示している。
• SOC界面の境界条件が導出され、超伝導スピンホール電流や磁化ダイナミクスといった非平衡現象の正確なモデル化が可能となった。
• 理論的進展にもかかわらず、磁気的不均一性が存在しない系において長距離ジョセフソン電流が実験的に確認された例はまだない。
• 強いSOC材料におけるsinglet-三重項変換と三重項対の抑制の相互作用は、今後の研究が求められる主要な未解決課題の一つである。