[論文レビュー] The effect of normal metal layers in ferromagnetic Josephson junctions

Dennis M. Heim, Н. Г. Пугач+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 50被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、超伝導体-強磁性体（SF）界面に絶縁体（I）および通常金属（N）層を有する21種類の強磁性体ヨセフソン接合における臨界電流密度を計算するためのコンactなUsadel方程式に基づく形式的枠組みを開発する。本研究では、薄いN層の厚さを調整することにより、0–π転移がシフトまたは誘発されることを示し、強磁性体の厚さを変更せずに基底状態位相を制御するメカニズムを提供する。

ABSTRACT

Using the Usadel equation approach, we provide a compact formalism to calculate the critical current density of 21 different types of ferromagnetic (F) Josephson junctions containing insulating (I) and normal metal (N) layers in the weak link regions. In particular, we obtain that even a thin additional N layer may shift the 0-$π$ transitions to larger or smaller values of the thickness $d_F$ of the ferromagnet, depending on its conducting properties. For certain values of $d_F$, a 0-$π$ transition can even be achieved by changing only the N layer thickness. We use our model to fit experimental data of SIFS and SINFS tunnel junctions, where S is a superconducting electrode.

研究の動機と目的

• IおよびN層を有する多様なF-ヨセフソン接合における臨界電流密度を計算するための統一的枠組みの開発。
• 通常金属層が強磁性体ヨセフソン接合における0–π転移に与える影響の調査。
• N層の厚さのみが、強磁性体の厚さを変更せずに0–π転移を誘発できるかどうかの特定。
• 非磁性界面領域（「デッドレイヤー」としてモデル化）が接合挙動および位相転移に与える影響のモデル化。
• 開発されたモデルを用いて、SIFSおよびSINFSトンネル接合からの実験データを正確にフィッティング可能にする。

提案手法

• 超伝導体、通常金属、強磁性体層における準古典的グリーン関数をモデル化するために、Usadel方程式を用いる。
• SFおよびNF界面における境界条件を適用し、各層間の位相差および秩序パラメータの振幅を結びつける。
• N層における秩序パラメータ位相に関する超越方程式を導出し、N層位相変数について数値的に解く。
• 界面透過率が小さく、界面抵抗が低い極限において、問題をN層位相パラメータに関する4次方程式に簡略化する。
• 接合全体にわたるサインゴルドン方程式を統合し、位相差から臨界電流密度を決定する。
• SIFSおよびSINFS接合からの実験データにモデルをフィッティングすることで、モデルの妥当性を検証。界面効果およびデッドレイヤーを考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SF界面に通常金属層を挿入することで、強磁性体ヨセフソン接合における0–π転移にどのような影響を与えるか？
• RQ2 強磁性体層の厚さを変更せずに、通常金属層の厚さを調整するだけで0–π転移を誘発できるか？
• RQ3 界面における「デッドレイヤー」が、0–π転移点のシフトや変更に果たす役割は何か？
• RQ4 絶縁体層および通常金属層は、FJJにおける臨界電流密度および$J_c R_N$積にどのように影響を与えるか？
• RQ5 インターフェース層を含む実験的SIFSおよびSINFS接合データを、Usadel形式的枠組みがどの程度正確に記述できるか？

主な発見

• 薄い通常金属層は、その伝導度に応じて、0–π転移を強磁性体厚さが大きい方または小さい方にずらすことができる。
• 特定の強磁性体厚さにおいて、SF界面に配置されたN層の厚さを調整するだけで、0–π転移を誘発できる。
• SIFSおよびSINFS接合からの実験データ（界面デッドレイヤーを含むものも）を、本モデルが良好にフィッティングできる。
• 非磁性界面領域（デッドレイヤーとしてモデル化）の存在は、有効な強磁性体厚さおよび位相転移挙動を顕著に変化させる可能性がある。
• 低界面透過率の極限において、形式的枠組みはN層位相パラメータに関する4次方程式に簡略化され、解析的洞察が得られる。
• 臨界電流密度は、N層の厚さ、界面透過率、および強磁性体の交換エネルギーの間の相乗作用に強く依存する。