[論文レビュー] Frequency-dependent spin accumulation in out-of-equilibrium mesoscopic superconductors

Denis Chevallier, C. Dutreix+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2014

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、非平衡状態下におけるメソスコピック超伝導体におけるスピン蓄積の理論的枠組みを拡張し、時間平均されたスピン蓄積が周波数に依存しない一方で、スピン化学ポテンシャルおよび非局所的スピン蓄積電圧は強い周波数依存性を示すことを示している。これにより、周波数領域での測定を用いて超伝導スピン緩和時間の実験的抽出が可能になる。

ABSTRACT

We study the spin accumulation in a junction between a superconductor and a ferromagnet or a normal metal in presence of a Zeeman magnetic field applied to the superconductor, and when the junction is taken out of equilibrium by applying a voltage bias. We extend the formalism presented in C.H.L. Quay and al., Nature Physics 9, 84 (2013) to obtain the most general formulas for the spin accumulation for an applied DC bias, and we calculate the time-dependence of the spin accumulation for an applied AC voltage. We study both sinusoidal and rectangular AC pulses. We find that the time-averaged accumulated spin does not depend on the frequency of the applied bias, however the spin chemical potential, as well as the non-locally measured spin-accumulation voltage depend on the frequency. This dependence allows one to extract experimentally the spin relaxation time in a superconductor from measurements in the frequency domain.

研究の動機と目的

• 直流および交流バイアス下における超伝導体-強磁性体または超伝導体-正規金属ジャンクションにおけるスピン蓄積の形式的枠組みを拡張すること。
• ゼーマン場が存在する中で、時間変化する電圧励起に対するスピン蓄積の動的変化を調査すること。
• 周波数依存測定が超伝導スピン緩和時間へのアクセスを提供できるかどうかを特定すること。
• 正弦波および矩形パルスの両方の交流パルスに対するスピン蓄積の一般的な解析的式を導出すること。

提案手法

• Quayら（Nature Physics 9, 2013）の形式的枠組みを時間依存電圧バイアスを含めるように適応および拡張すること。
• 線形応答理論およびケルディシュ非平衡グリーン関数技術を用いて、超伝導ジャンクションにおけるスピン蓄積をモデル化すること。
• 正弦波および矩形交流電圧パルスに対する時間依存スピン蓄積を計算すること。
• 周波数関数としてのスピン化学ポテンシャルおよび非局所的に測定されたスピン蓄積電圧の式を導出すること。
• スピン応答の周波数依存性を用いて、実験的にスピン緩和時間を抽出すること。
• 時間平均されたスピン蓄積と周波数依存スピンポテンシャルの違いを分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゼーマン場が存在する超伝導体内で、時間依存スピン蓄積は交流バイアスに対してどのように応答するか？
• RQ2 印加された交流バイアスの周波数は、系における時間平均スピン蓄積に影響を与えるか？
• RQ3 スピン化学ポテンシャルの周波数依存性を用いて、超伝導体内のスピン緩和時間を抽出できるか？
• RQ4 正弦波および矩形交流パルスは、スピン蓄積ダイナミクスにどのように異なる影響を及えるか？
• RQ5 駆動周波数と非局所的に測定されたスピン蓄積電圧の間にはどのような関係があるか？

主な発見

• 時間平均スピン蓄積は、印加された交流バイアスの周波数に依存しない。
• スピン化学ポテンシャルは強い周波数依存性を示すが、これは時間平均スピン蓄積には見られない。
• 非局所的に測定されたスピン蓄積電圧も、印加された交流信号の周波数に依存する。
• この周波数依存性により、超伝導スピン緩和時間の直接的な実験的抽出が可能になる。
• 結果は正弦波および矩形交流電圧パルスの両方に対して成り立つため、周波数領域応答の頑健性が示された。
• この形式的枠組みにより、非平衡状態下のメソスコピック超伝導デバイスにおけるスピン蓄積ダイナミクスの定量的予測が可能になる。