[論文レビュー] dc Josephson Effect in Altermagnets

Jabir Ali Ouassou, Arne Brataas+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、ネット磁化がなくとも強い運動量依存性スピン分裂を示すaltermagnets—磁化のないがゆえに特異なバンド構造を有する材料—が、その特異なバンド構造のおかげでdc Josephson効果において0-π振動を示すことを示している。ネット磁化が存在しないにもかかわらず、Josephson電流は、結晶方位に強く依存する減衰長および振動周期を示し、altermagnetismの検出および界面異方性を用いたスーオーバーレイントランスポートの調整が可能になる。

ABSTRACT

The ability of magnetic materials to modify superconducting systems is an active research area for possible applications in thermoelectricity, quantum sensing, and spintronics. We consider the fundamental properties of the Josephson effect in a third class of magnetic materials beyond ferromagnets and antiferromagnets: altermagnets. We show that despite having no net magnetization, altermagnets induce $0$-$π$ oscillations. The decay length and oscillation period of the Josephson coupling are qualitatively different from ferromagnetic junctions and depend on the crystallographic orientation of the altermagnet. The Josephson effect in altermagnets thus serves a dual purpose: it acts as a signature that distinguishes altermagnetism from conventional (anti)ferromagnetism and offers a way to tune the supercurrent via flow direction anisotropy.

研究の動機と目的

• altermagnets—フェロ磁性体および反強磁性体とは異なる第三の磁性体クラス—におけるJosephson効果を調査すること。
• altermagnetsがゼロのネット磁化を持つにもかかわらず、スーオーバーレイントランスポートに0-π振動を誘起できるかどうかを特定すること。
• Josephson電流の減衰長および振動周期が、接合界面の結晶方位にどのように依存するかを調査すること。
• altermagnetsにおけるJosephson効果が、候補材料におけるaltermagnetic秩序の同定に役立つ診断的ツールとして機能することを確立すること。
• altermagnetic Josephson接合におけるコープスペアの流れ方向の異方性を用いて、スーオーバーレイントランスポートをどのように調整できるかを示すこと。

提案手法

• 本研究では、超伝導リードとaltermagnetic中間層を有する2次元正方格子をモデル化するために、Bogoliubov–de Gennes (BdG)形式を用いる。
• 平均場近似のタイトビンディングハミルトニアンには、最近接 hopping、化学ポテンシャル、超伝導ペアリング、およびaltermagnetismをモデル化するためのスピン依存性の交換項（m）が含まれる。
• altermagnetic秩序は、運動量依存性スピン分裂としてモデル化され、スピンアップ電子に対してはx軸に沿ってt → t + m、y軸に沿ってt → t − mとし、スピンダウン電子に対しては逆転する。
• 2種類の接合幾何形状をシミュレーションした：結晶軸に沿った「ストレート」接合（n = e_x）と45°に傾いた「ダイアゴナル」接合（n = (e_x − e_y)/√2）、これにより異方性の研究が可能になる。
• Josephson電流は、接合長L、altermagnetic強度m、温度T、および界面方位の関数として計算され、電流-位相差関係から臨界電流I_cが抽出された。
• 数値的シミュレーションは、定数t = 1、μ = −t/2、Δ = 0.1t、mを0.05tから0.9tまで変化させた条件下でBdG法を用いて実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 altermagnets—ネット磁化がなくとも—はdc Josephson効果において0-π振動を誘起できるか？
• RQ2 Josephson電流の減衰長および振動周期は、超伝導体に対して相対するaltermagnetの結晶方位にどのように依存するか？
• RQ3 altermagnetsにおけるJosephson効果は、フェロ磁性体または反強磁性体接合におけるものと本質的に異なるか？
• RQ4 altermagnetsにおけるJosephson効果は、候補材料における従来の（反）強磁性体とaltermagnetismを区別する診断的ツールとして機能できるか？
• RQ5 altermagnetic接合におけるコープスペアの流れ方向の異方性を用いて、スーオーバーレイントランスポートをどの程度まで調整できるか？

主な発見

• altermagnetsはゼロのネット磁化を持つにもかかわらず、Josephson電流に0-π振動を誘起する。これは従来の（反）強磁性体とは明確に異なる。
• m = 0.05tのストレート接合では、最初の0-π振動がL = 15aで発生するが、ダイアゴナル接合ではL = 35aまで遅れるため、振動開始における強い異方性が示された。
• m = 0.5tの場合、広いL範囲にわたり持続的な0-π振動がストレート接合でのみ観測された。一方、ダイアゴナル接合では、遅れてのみ振動が観測された。
• m = 0.9tでは、x軸に沿ったスピンダウン電子の輸送が著しく抑制され、スーオーバーレイントランスポートが極めて急速に減衰し、Josephson効果はほぼ消滅した。
• 臨界電流I_cは、ストレート接合ではT = 0.6T_cで急激な谷を示す非単調な温度依存性を示し、0-π遷移を示唆するが、同様のパラメータ下でダイアゴナル接合ではそのような振るまいは観測されなかった。
• 結果から、altermagnetic接合がスピン選択的フィルタとして機能し、特定のスピン三重項コープスペア状態（例：x方向に↑↑、y方向に↓↓）のみを透過させ、スピンsingletペアを抑制することが示唆された。