[論文レビュー] Spin-polarized Andreev tunneling through the Rashba chain

Maciej M. Maśka, T. Domański|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 24被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、Rashba鎖を超伝導基板上に形成した場合、ゼロエネルギーのマヨラナ準粒子と通常のインギャップ状態を区別するため、選択的等スピンアンドリーブ反射（SESAR）分光法を用いたスピン極化アンドリーブトンネルが有効であると提唱している。Rashbaスピンオービット結合、ゼーマン分裂、および近接効果誘起ペアリングを含む微視的モデルを用いて、著者らは、異常なレッテッドグリーン関数がゼロエネルギーで非ゼロの非対角成分を示すことを示した。これにより、検出可能なスピン極化インギャップ導電度が生じ、トポロジカル超伝導およびマヨラナモードを実験的に探査するための実用的なSTMベースの手法が得られる。

ABSTRACT

We demonstrate that the selective equal spin Andreev reflection (SESAR) spectroscopy can be used in STM experiments to distinguish the zero-energy Majorana quasiparticles from the ordinary fermionic states of the Rashba chain. Such technique, designed for probing the p-wave superconductivity, could be applied to the intersite pairing of equal-spin electrons in the chain of magnetic Fe atoms deposited on the superconducting Pb substrate. Our calculations of the effective pairing amplitude for individual spin components imply the magnetically polarized Andreev conductance, which can be used to `filter' the Majorana quasiparticles from the ordinary in-gap states, although the pure spin current (i.e., perfect polarization) is impossible.

研究の動機と目的

• 1次元のRashba鎖におけるトポロジカルマヨラナ準粒子と自明なインギャップ状態を実験的に区別するための手法を確立すること。
• スピン極化アンドリーブトンネル、特にSESARがマヨラナモードの内在的磁気的極化を検出可能であることを示すこと。
• Fe鎖をPb基板上に形成したSTM実験で観測されたスピン極化の微視的説明を提供すること。
• 等スピン電子間の近接効果誘起p波ペアリングが、ゼロエネルギーにおける非消滅するスピン極化アンドリーブ導電度を生じることを示すこと。
• 磁気的極化STMプローブを用いた実材料におけるトポロジカル超伝導の探査が実現可能であることを検証すること。

提案手法

• s波超伝導体上に磁性Fe鎖を記述する低エネルギーハミルトニアンを定式化し、局所的ペアリング、Rashbaスピンオービット結合、およびゼーマン分裂を含める。
• 自己エネルギー法を用いて近接効果をモデル化し、スピンアップおよびスピンダウンチャネルの有効ペアリング振幅を導出する。
• Keldysh形式を用いてレッテッドおよびレッセー・グリーン関数を計算し、STMプローブを通る電子輸送を記述する。
• 異常なレッテッドグリーン関数成分⟨⟨d↑d↓⟩⟩^rを用いてインギャップアンドリーブ電流を導出する。この成分は等スピンアンドリーブ反射を支配する。
• スピン分解トンネル電流I↑(V)およびI↓(V)を計算し、スピンアップとスピンダウン導電度の比を用いて極化度を定量的に評価する。
• スペクトル関数および導電度の数値的評価により、鎖の端部付近でゼロエネルギーにおける非ゼロの極化が示されることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SESAR分光法は、Rashba鎖の端に形成されたマヨラナ準粒子のスピン極化を検出可能か？
• RQ2 Pb基板上に形成されたFe鎖におけるSTM実験で観測されたゼロバイアス導電度ピークのスピン極化の起源は何か？
• RQ3 Rashbaスピンオービット結合、ゼーマン分裂、および近接効果誘起ペアリングの相乗作用が、スピン極化アンドリーブ過程をどのように生成するか？
• RQ4 インギャップ導電度が、マヨラナモードと通常のシブァインギャップ状態をどの程度まで区別可能か？
• RQ5 アンドリーブ電流のスピン極化は、p波チャネルにおける非対角ペアリング振幅と定量的に関連しているか？

主な発見

• 鎖の端部付近でゼロエネルギーにおいても、異常なレッテッドグリーン関数成分⟨⟨d↑d↓⟩⟩^rが有限に保たれ、トポロジカルマヨラナモードの存在を示している。
• スピンアップおよびスピンダウン電子のペアリング振幅が不均一であるため、インギャップアンドリーブ電流はスピン極化を示し、スピンチャネル間の導電度に顕著な差が生じる。
• 計算されたアンドリーブ電流のスピン極化は有限であるが、自明なインギャップ状態への残存結合のため、完全（100％）極化には達しない。
• 本モデルは、Fe鎖をPb基板上に形成したSTM測定で観測された実験的スピン極化を再現し、intersite p波ペアリングがスピン選択的アンドリーブ反射を生成する役割を確認した。
• スピン極化導電度は、主にRashbaおよびゼーマン相互作用によって駆動されるp波ペアリングチャネルに起因し、局所的s波ペアリングとは無関係である。
• 本手法により、スピンフィルターを用いたトンネルを介してマヨラナ準粒子を特定的に検出可能となり、実システムにおけるトポロジカル超伝導の検証に実用的な道筋が示された。