[論文レビュー] Superconductivity and Ferromagnetism in Oxide Interface Structures: Possibility of Finite Momentum Pairing

Karen Michaeli, Andrew C. Potter+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2011

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、強いラシバスピンオービット結合に起因する不純度安定化ヘリカルFFLO状態を通じて、LAO/STO酸化物界面において超伝導と強磁性が共存することを提案する。ここでコープル対は有限運動量で形成される。強い不純度にもかかわらず、FFLO状態は安定しており、臨界磁場は徐々にクリーン限界に近づき、最終的には強い不純度領域ではパウリ限界にまで低下する。

ABSTRACT

We introduce a model to explain the observed ferromagnetism and superconductivity in LAO/STO oxide interface structures. Due to the polar catastrophe mechanism, 1/2 charge per unit cell is transferred to the interface layer. We argue that this charge localizes and orders ferromagnetically via exchange with the conduction electrons. Ordinarily this ferromagnetism would destroy superconductivity, but due to strong spin-orbit coupling near the interface, the magnetism and superconductivity can coexist by forming an FFLO-type condensate of Cooper pairs at finite momentum, which is surprisingly robust in the presence of strong disorder.

研究の動機と目的

• LAO/STO酸化物界面における超伝導と強磁性の共存を説明する。これは、従来のBCS理論に反する。
• 界面における強磁性の起源を、局在電子が伝導電子と交換相互作用を介して秩序を形成することによって説明する。
• 強いスピンオービット結合と不純度によって安定化される有限運動量コープル対結合（ヘリカルFFLO状態）の理論的枠組みを提供する。
• 通常、不純度がFFLO状態を破壊すると予想されるが、なぜ超伝導が強い不純度に対しても持続するのかを明確にする。
• dxy、dxz、dyz軌道を含む多電子帯モデルを通じて、実験的観測された高いスピン分離（10 meV）と非線形ホール効果を説明する。

提案手法

• 局在的なdxy電子が局在スピンモーメントを形成し、隣接するチタン層におけるdxy、dxz、dyzバンドの移動電子を含む二成分電子系として界面をモデル化する。
• Rashbaスピンオービット結合項 $ H_R = \frac{\beta}{\tau} \boldsymbol{\nu} \times \boldsymbol{k} \boldsymbol{\nu} $ を導入し、$ \beta $ はゲート電圧により増加し、スピン分離 $ \triangle_{so} = 2\beta k_F $ を引き起こす。
• 異なる有効質量とスピンオービット結合を持つ二バンドモデルを用いて、異方的輸送および非線形ホール応答を記述する。
• 不純度の存在下で、拡散子伝播関数とギャップ方程式を自己無撞着なボーン近似で計算する。
• 頂点補正を含む完全なギャップ方程式を用いて、不純度強度 $ \tau^{-1} $、スピンオービット結合 $ \triangle_{so} $、ペアリング運動量 $ q $ の関数としてのFFLOペアリングの臨界磁場 $ B_c $ を導出する。
• 弱い、中程度の、強い不純度の三つの領域を分析し、拡散的スピンおよび運動量ダイナミクスのおかげで、中程度の不純度領域でFFLO状態が安定化されることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強磁性は通常s波超伝導を抑制するが、LAO/STO界面で超伝導と強磁性が共存できるメカニズムは何か？
• RQ2 観測された大きな強磁性モーメント（単位セルあたり約0.3–0.4 $ \beta_B $）の起源は何か。界面電子構造からどのように生じるか？
• RQ3 通常、不純度がFFLO状態を破壊すると予想されるが、なぜ臨界磁場 $ B_c $ が不純度の増加とともに増加するのか？
• RQ4 スピンオービット結合と不純度の相互作用が、有限運動量（ヘリカルFFLO）超伝導状態をどのように安定化するのか？
• RQ5 複数のd軌道（dxy、dxz、dyz）が、非線形ホール効果およびキャリア密度の増加に伴うスピン分離の進化を説明するために果たす役割は何か？

主な発見

• 有限運動量 $ \boldsymbol{q} $ でのペアリングを示すヘリカルFFLO状態は、強いスピンオービット結合によって安定化され、中程度の不純度下でも存続する。
• 中程度の不純度領域（$ \tau^{-1} \sim \Delta_{so} $）では、FFLOペアリングの臨界磁場 $ B_c $ がクリーン限界値に近づき、拡散的スピンおよび運動量ダイナミクスのおかげでFFLO状態が再生されることを示している。
• 強い不純度領域（$ \tau^{-1} \gg \Delta_{so} $）では、運動による幅収縮（$ \tilde{\tau}_{so}^{-1} \approx \Delta_{so}^2 \tau $）によりスピンプロセッションと運動量が分離され、FFLO状態は消滅し、$ B_c $ はパウリ限界に低下する。
• $ q = 0 $ および $ q = \pm 2\mu_0 B / \alpha $ でのペアリングの臨界磁場は同程度であり、$ B_c \approx \Delta_0 (\Delta_0 \tilde{\tau}_{so})^{-1/2} $ となる。これは、異なるペアリング状態の間で競合が生じていることを示唆する。
• 本モデルは、超伝導ドームのピークで観測された10 meVのスピン分離を説明でき、キャリア密度の増加に伴い増大するキャリア密度と強化されるRashba結合に起因する。
• 異なる有効質量とスピンオービット結合を持つ二つの異なる電子バンドを導入することで、キャリア密度の増加に伴う非線形ホール効果および散乱率の低下を説明できる。