[論文レビュー] Superconductivity Induced Ferromagnetism In The Presence of Spin-Orbit Coupling

Yao Lu, I. V. Tokatly+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2023

Iron-based superconductors research被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、スピン軌道結合を有する薄膜における超伝導性が、超電流を介した相互作用によって磁性不純物間の長距離フェロ磁性結合を誘発できることを示している。電磁場とスピン軌道結合が組み合わさり、特定の格子構造においてフェロ磁性秩序を支持する双極子的相互作用を生成する。これは、従来の超伝導性とフェロ磁性の不相容性に挑戦するものである。

ABSTRACT

We investigate the behavior of magnetic impurities placed on the surface of superconductor thin films with spin-orbit coupling. Our study reveals long-range interactions between the impurities, which decay according to a power law, mediated by the supercurrents. Importantly, these interactions possess a ferromagnetic component when considering the influence of the electromagnetic field, leading to the parallel alignment of the magnetic moments in the case of two impurities. In a Bravais lattice of magnetic impurities, superconductivity facilitates the establishment of ferromagnetic order within specific parameter ranges. These findings challenge the conventional understanding that ferromagnetism and superconductivity are mutually exclusive phenomena. Our theoretical framework provides a plausible explanation for the recently observed remanent flux in iron-based superconductors, particularly Fe(Se,Te).

研究の動機と目的

• スピン軌道結合を有する超伝導体薄膜上に存在する磁性不純物間の磁気的相互作用を調査すること。
• 電磁場とスピンギャルバニック効果が超電流を介した相互作用の性質をどのように変化させるかを特定すること。
• 超伝導性に起因する結合によって生じる磁性不純物格子内でのフェロ磁性秩序の出現を探索すること。
• 最近の実験的観察である鉄系超伝導体Fe(Se,Te)における残留磁束およびフェロ磁性の兆候を理論的に説明すること。

提案手法

• 磁性不純物を有する2次元ラシバ系における超伝導近接効果の理論的分析。
• 誘導された磁気的相互作用を記述するケルディッシュポテンシャルの導出。これは2次元および3次元の双極子-双極子相互作用の間を補間する。
• ロンドン・ピアールのスクリーニング理論を用いて電磁場応答と電流分布への影響をモデル化する。
• 磁気的相互作用テンソル $ F_I^{ij} $ の計算。これは不純物間ベクトルに対して平行および垂直成分に分解される。
• 温度依存関数としての超伝導ギャップ $ ilde{ abla} $、超流動重率 $ D $、ピアール長 $ r_0 $ の自己無撞撃的決定。
• 有限温度における異なるブラーヴェ格子（三角格子および正方形格子）の位相図の数値的解法。

Figure 1: Schematic picture of magnetic impurities on top of a superconductor thin film with spin-orbit coupling. The red arrows represent the magnetization of the impurities. The green arrows are the exchange field-induced localized anomalous currents. The black loop represents the total current in

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン軌道結合系における超伝導性は、磁性不純物間の長距離フェロ磁性結合を誘起できるか？
• RQ2 電磁場は、超電流を介した磁気的相互作用の空間的依存性および対称性をどのように変化させるか？
• RQ3 スピン軌道結合がどのように異常電流を生成し、磁気秩序を媒介するか？
• RQ4 2次元格子内の磁性不純物系において、どのようなパrameter領域でフェロ磁性基底状態が出現するか？
• RQ5 Fe(Se,Te)における観察されたフェロ磁性の兆候は、超伝導表面状態における超電流を介した相互作用によって説明可能か？

主な発見

• 超電流を介した磁気的相互作用は、2次元および3次元の双極子-双極子相互作用の間を補間する双極子的形を示し、大距離で $ 1/r^3 $ の減衰を示す。
• スピン軌道結合と電磁場スクリーニングの相互作用により、フェロ磁性成分が生じ、三角格子においてフェロ磁性基底状態を支持する。
• 絶対零度では、三角格子はネットフェロ磁性結合 $ (J_{\text{parallel}} - J_{\text{perp}})/2 $ によりフェロ磁性基底状態を支持するが、正方形格子は反フェロ磁性状態を好む。
• 実際のFe(Se,Te)パラメータを用いた推定では、$ T=0 $ における相互作用強度は約2 meVであり、超伝導ギャップと同等の大きさであり、熱揺らぎに対して頑健であることが示された。
• 有限温度解析では、温度上昇に伴い磁気的相互作用が抑制され、高温度領域ではフェロ磁性から反フェロ磁性への転移が予測された。
• 本モデルは、Fe(Se,Te)におけるヒステリシスを示す磁化および表面局在型フェロ磁性を説明でき、超伝導臨界温度を超えると消失するという事実を支持しており、超電流を介した起源を裏付けている。

Figure 2: a) Superconductivity-induced magnetic interaction as a function of Pearl length. The red and blue colors denote $J_{\parallel}$ and $J_{\perp}$ , respectively. The circles are the exact results calculated from Eq. ( 9 ) and the lines are the approximate values obtained from Eq. ( 10 ). b)