[論文レビュー] Finite-momentum Cooper pairing in proximitized altermagnets

Song-Bo Zhang, Lun‐Hui Hu+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 53被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、net磁化を持たないアレルマグネティック金属がs波超伝導体に近接することで、クーパー対が有限運動量を持ち、強い角度異方性を示し、ジョセフソン接合において空間的振動する秩序パラメータと0-π遷移を生じることを示す。

ABSTRACT

Finite-momentum Cooper pairing is an unconventional form of superconductivity that is widely believed to require finite magnetization. Altermagnetism is an emerging magnetic phase with highly anisotropic spin-splitting of specific symmetries, but zero net magnetization. Here, we study Cooper pairing in metallic altermagnets connected to conventional $s$-wave superconductors. Remarkably, we find that the Cooper pairs induced in the altermagnets acquire a finite centre-of-mass momentum, despite the extit{zero} net magnetization in the system. This anomalous Cooper-pair momentum strongly depends on the propagation direction and exhibits unusual symmetric patterns. Furthermore, it yields several unique features: (i) highly orientation-dependent oscillations in the order parameter, (ii) controllable 0-$π$ transitions in the Josephson supercurrent, (iii) large-oblique-angle Cooper-pair transfer trajectories in junctions parallel with the direction where spin splitting vanishes, and (iv) distinct Fraunhofer patterns in junctions oriented along different directions. Finally, we discuss the implementation of our predictions in candidate materials such as RuO$_{2}$ and KRu$_{4}$O$_{8}$.

研究の動機と目的

• 零磁化での超伝導を持つアレルマグネットの研究を動機づける。
• アレルマグネットにおける近接誘起クーパー対が有限運動量を獲得する機構を特徴づける。
• 秩序パラメータの振動とジョセフソン電流への影響をその角依存性から解明する。
• μドーピング、接合長L、方位角φに対する0-π遷移や優勢な斜め角クーパー対輸送などの実験的指標を予測する。

提案手法

• 2Dのd波様スピン分裂ハミルトニアンを用いてアレルマグネットをモデル化する H(k)=t(kx^2+ky^2)+Jkxky sz.
• クーパー対伝搬子（クーパーオンバブル）D(r2;r1)を計算し、有効な有限運動量qを q=√(2μ)(J+−J−)として同定する。
• 近接誘起秩序パラメータを D から Ψ(r′)=λ∫Dx′1 D(r′;x′1,0)として導出する。
• 大きな幅の接合極限を分析し、距離y′に対して Ψ(r′)が振動・減衰し Ψ∝cos(√μ Fθ′ y′+π/4)/(y′)^{3/2}μ^{1/4} の形になることを得る。
• 支配的な伝搬角 θm と接合方位 φ の依存性を抽出する。
• δφ に依存する自由エネルギーからジョセフソン臨界電流 Ic を Ic=(4e/ħ)∬ D(x2′,L;x1′,0) dx1′ dx2′ の形で算出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 s波超伝導体で近接化されたアレルマグネット系は、零磁化にも関わらず有限運動量のクーパー対をホストするのか。
• RQ2 アレルマグネットの異方的スピン分裂が運動量 q とその角依存性にどのように影響するのか。
• RQ3 μ、接合長L、方位φ の関数として、AM-SCおよび AM-AM 接合での秩序パラメータとジョセフソン電流の観測可能な影響は何か。
• RQ4 RuO2 や類似のアレルマグネットは net 磁化なしに0-π遷移を示すのか。そして異なる接合幾何における支配的なクーパー対経路はどのようになるのか。

主な発見

• アレルマグネット内のクーパー対は、伝搬角θに強く依存して有限運動量qを獲得し、晶軸に沿って低下する。
• 誘導秩序パラメータ Ψ は(y′)^{-3/2} に減衰し、周期 Pθ′∝1/|Fθ′| で振動する。周期は方向依存。
• ジョセフソン接合は μ、L、φ の変化に伴い0-π遷移を示し、Ic は秩序パラメータの振動項に似た形の式で与えられる。
• 支配的なクーパー対輸送方向 θm は φ に応じて移動し、接合が晶軸に平行なときは斜め角輸送が大きく、対角（φ≈π/4）では接合方向輸送が優勢になる。
• この結果は、磁性体/反磁性体と異なり、純粋な磁化ゼロでも有限運動量対の生成と対称性に基づく角依存パターンを生み出す点で特徴的である。
• RuO2 は現実的な候補材料として同定され、典型パラメータでの振動周期はおよそ16–20 nm の見積もり。