[論文レビュー] Releasing half-quantum vortices via the coupling of spin polarization, charge- and spin-current

Hae‐Young Kee, Manfred Sigrist|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2013

Quantum and electron transport phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、キラルp波超伝導体Sr2RuO4における半量子渦（HQV）が、スピン極化、電荷電流、スピン電流の間の結合を通じて安定化可能であると提案している。これにより、中間的サイズのリングで半整数の磁束量子（n+1/2）Φ₀が実現可能となる。d-ソリトンというトポロジカルな欠陥は、面内磁場によってスピン極化が誘発されるとエネルギーが低下し、実験的に観測された半高さの磁化ステップを説明できる。

ABSTRACT

Motivated by recent experiments observing half-integer flux quanta in mesoscopic loops of superconducting Sr2RuO4, a theory is developed based on a "d-soliton", a topological defect of spin-triplet superconductors involving a change of the spin configuration. A phenomenological Ginzburg-Landau free energy is given which allows to describe such a soliton yielding a half-integer flux quantum inside a loop, assuming a chiral p-wave superconducting phase. The d-soliton couples to spin polarization perpendicular to the loop axis, which allows to reduce the energy of the d-soliton, fitting well to the experimental findings. The origin of this coupling lies in the combination of spin and charge current within the d-soliton generating a spin polarization analogous to a spin Hall effect. The effect of Fermi liquid corrections is discussed, in particular, in view of the spatial extension of the d-soliton and the energetics in comparison with a standard integer flux state.

研究の動機と目的

• 中間的サイズのSr2RuO4リングにおける半整数磁束量子の実験的観測を説明すること。
• 面内磁場が半量子渦（HQV）の安定化に果たす役割を特定すること。
• スピン極化、電荷電流、スピン電流の結合を組み込んだ効果的ギンツブルグ＝ランダウ自由エネルギー模型を構築すること。
• スピン極化の存在下でのd-ソリトン欠陥のエネルギー的安定化を明確にすること。
• フェルミ液体補正がHQVの安定性および空間的広がりに与える影響を検討すること。

提案手法

• dベクトルの剛性、dベクトルの傾きに対するエネルギー障壁、および電荷電流・スピン電流・スピン極化の間の結合項を含む、効果的ギンツブルグ＝ランダウ自由エネルギーを構築した。
• 結合項は、dベクトルの勾配とスピン電流のベクトル積を含み、スピンホール効果に類似した有効スピン極化を生成する。
• スピン極化が空間的に一様であると仮定し、HQV状態と整数磁束渦状態（IVQ）のエネルギー差を分析した。
• HQVおよびIVQのエネルギーが磁束に依存する関係を計算し、Φ₀/2の周囲に安定性領域が存在することを特定した。
• d-ソリトンは、二つの半磁束量子を接続する位相スリップ欠陥としてモデル化され、バルク中では平面欠陥に類似し、リング中では渦に類似したトポロジカル構造を持つ。
• 幾何的細口の役割を検討し、外部の面内磁場が存在しない状況でもd-ソリトンが安定化可能であることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 面内磁場がSr2RuO4における半量子渦状態をどのように安定化するのか？
• RQ2 中間的サイズのリングで観測された半整数磁束量子の起源は何か？
• RQ3 電荷電流・スピン電流・スピン極化の結合が、d-ソリトンのエネルギーをどのように低下させるのか？
• RQ4 d-ソリトンがトポロジカル欠陥として果たす役割は、半量子渦の磁束量子化を可能にするものか？
• RQ5 幾何的閉じ込めによって、面内磁場が存在しない状況でもHQV状態が安定化可能か？

主な発見

• 面内磁場によってスピン極化が誘発されると、d-ソリトン状態はエネルギー的に有利となり、Φ₀/2の周囲にHQVの安定性領域が形成される。
• 電荷電流とスピン電流の結合が有効スピン極化を生成し、d-ソリトンの自由エネルギーを低下させる。この機構が、半高さの磁化ステップの実験的観測を説明する。
• スピン極化が存在しない場合には、HQV状態は整数磁束渦状態よりもエネルギー的に高くなるため、安定化は不可能である。
• d-ソリトンは、二つの半磁束量子を接続する位相スリップ欠陥と見なされ、リング内部に一つの半磁束量子が存在し、外部に一つが存在する。
• リング内の幾何的細口は、d-ソリトンの安定化に寄与し、面内磁場が存在しない状況でもHQVの形成が可能になる可能性がある。
• フェルミ液体補正は、dベクトルの剛性を変更すると予想され、その結果、d-ソリトンの空間的広がりおよびエネルギー的性質が標準的渦状態と比較して変化する。