[論文レビュー] Spontaneous symmetry breaking induced thermospin effect in superconducting tunnel junctions

Gaia Germanese, Federico Paolucci+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 68被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、強誘電体の磁性体インスレーター（FI）によるスピン分離によって引き起こされる、粒子-ホール対称性の自発的破れによって、大きな温度勾配下でスピン偏光熱電流が生成される、超伝導トンネル接合における新しい熱スピン効果を提案する。従来のスピンバルブとは異なり、この効果は外部の偏光障壁を必要とせず、熱的活性成分が支配的になると、スピン電流が電荷電流を上回る。非線形領域において、最大のスピン電流効率と熱電力発生が達成される。

ABSTRACT

We discuss the charge and the spin tunneling currents between two Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) superconductors, where one density of states is spin-split by the proximity of a ferromagnetic insulator. In the presence of a large temperature bias across the junction, we predict the generation of a spin-polarized thermoelectric current. This thermospin effect is the result of a spontaneous particle-hole symmetry breaking in the absence of any polarizing tunnel barrier. The two spin components, which move in opposite directions, generate a spin current larger than the purely polarized case when the thermoactive component dominates over the dissipative one.

研究の動機と目的

• 大きな温度勾配下におけるハイブリッド磁性体インスレーター／超伝導体接合の熱電およびスピン輸送を調査すること。
• スピン分離によって引き起こされる自発的粒子-ホール対称性の破れが、スピン偏光熱電流を可能にする役割を特定すること。
• 反対方向に伝播するスピン成分のおかげで、スピン電流が効率的に電荷電流を上回ることを示すこと。
• 非線形熱電効果と超伝導接合内のスピン分離の相乗作用を分析すること。

提案手法

• 常規のBCS超伝導体（S）と、磁性体インスレーター（FI）とのプロキシミティ効果によって誘起されたスピン分離超伝導体（Sm）とのトンネル接合をモデル化する。
• 交換場 hα を用いたスピンσ成分の正規化状態密度（DoS）を用い、準位状態に寄与するDynesパラメータΓを組み込む。
• フェルミ・ディラック分布関数を用いたBCS準粒子輸送形式により、電荷電流 Iq = I↑ + I↓ とスピン電流 Is = I↑ - I↓ を計算する。
• 線形領域へのアクセスを可能にするために、大きな温度勾配（TS > TSm）を適用し、外部偏光が不要な非線形領域における熱電効果を評価する。
• 負微分コンダクタンス（G0）と最大コンダクタンス（Gmax）を分析し、負の微分コンダクタンスと熱電力発生を特定する。
• 交換場 hexc とDynesパラメータΓを変化させ、接合の品質や非ユニバーサル効果に対する耐性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部の偏光障壁が存在しない超伝導トンネル接合で、スピン偏光熱電流を生成できるか？
• RQ2 スピン分離によって引き起こされる粒子-ホール対称性の自発的破れは、なぜスピン電流が電荷電流を上回るネットスピン電流を可能にするのか？
• RQ3 大きな温度勾配（非線形領域）が、スピン分離超伝導接合における熱電効果を可能にする役割は何か？
• RQ4 接合のコンダクタンス（G0 と Gmax）の挙動は、散逸的領域と熱電領域の遷移をどのように反映するか？
• RQ5 DynesパラメータΓでモデル化される接合の不完全性に対して、この熱スピン効果はどの程度耐性を示すか？

主な発見

• 外部の偏光障壁が存在しない状況下で、粒子-ホール対称性の自発的破れによってスピン偏光熱電流が生成される。
• 熱的活性成分が支配的になると、スピン電流 |Is| が電荷電流 |Iq| を上回り、最大のスピン電流効率が達成される。
• 線形領域で負の微分コンダクタンス（G0 < 0）が観測され、内在的な熱電気的挙動を示している。
• 非線形領域では、ピークが一致する箇所で最大コンダクタンス Gmax < 0 が観測され、熱電力発生が確認される。
• DynesパラメータΓを2桁の範囲で変化させても、ピーク電流値にややの変化しか生じず、効果の頑健性が示された。
• GL < |Gmax| のとき、システムは熱電発電機器として動作し、安定した熱電力出力を実現する。