[논문 리뷰] Finite-momentum Cooper pairing in proximitized altermagnets

Song-Bo Zhang, Lun‐Hui Hu외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 25.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 53인용 수 8

한 줄 요약

본 논문은 altermagnetic metals가 s-wave 초전도체에 근접했을 때 쿠퍼쌍이 강한 각 방향 이방성을 가진 유한 모멘텀을 획득하고, 그로 인해 순서 매개변수가 진동하고 자성의 총합이 0인 상태에서도 Josephson 접합에서 0-π 전이가 발생한다는 점을 보여준다.

ABSTRACT

Finite-momentum Cooper pairing is an unconventional form of superconductivity that is widely believed to require finite magnetization. Altermagnetism is an emerging magnetic phase with highly anisotropic spin-splitting of specific symmetries, but zero net magnetization. Here, we study Cooper pairing in metallic altermagnets connected to conventional $s$-wave superconductors. Remarkably, we find that the Cooper pairs induced in the altermagnets acquire a finite centre-of-mass momentum, despite the extit{zero} net magnetization in the system. This anomalous Cooper-pair momentum strongly depends on the propagation direction and exhibits unusual symmetric patterns. Furthermore, it yields several unique features: (i) highly orientation-dependent oscillations in the order parameter, (ii) controllable 0-$π$ transitions in the Josephson supercurrent, (iii) large-oblique-angle Cooper-pair transfer trajectories in junctions parallel with the direction where spin splitting vanishes, and (iv) distinct Fraunhofer patterns in junctions oriented along different directions. Finally, we discuss the implementation of our predictions in candidate materials such as RuO$_{2}$ and KRu$_{4}$O$_{8}$.

연구 동기 및 목표

• 순 자화가 없는 altermagnets에서의 초전도성 연구 동기를 부여한다.
• 근접 유도된 쿠퍼쌍이 알테르마그네트에서 어떻게 유한 모멘텀을 얻는지 특징화한다.
• 각도 의존성과 그것이 순서 매개변수의 진동 및 Josephson 전류에 미치는 영향을 이해한다.
• 0-π 전이 및 지배적인 경사 각도 쿠퍼 페어 수송과 같은 실험적 시그니처를 예측한다.

제안 방법

• 2D d-웨이브 유사 스핀 분리 해밀토니안 H(k)=t(kx^2+ky^2)+Jkxky sz로 알테르마그네트를 모델링한다.
• 쿠퍼-쌍 전달함수(쿠퍼론 버블) D(r2;r1)를 계산하고 q=√(2μ)(J+−J−)로 유한 모멘텀 q를 식별한다.
• D로부터 Ψ(r′)=λ∫Dx′1 D(r′;x′1,0)로 근접 유도 순서 매개변수를 유도한다.
• 큰 폭의 접합 한계에서 거리 y′에 따라 진동하고 감소하는 Ψ(r′)를 얻기 위해 분석한다, Ψ∝cos(√μ Fθ′ y′+π/4)/(y′)^{3/2}μ^{1/4}.
• 지배적 전달 각 θm와 이의 접합 방향 φ에 대한 의존성을 추출한다.
• Δφ에 의존하는 자유에너지로부터 Josephson 임계 전류 Ic를 계산한다 Ic=(4e/ħ)∫∫ D(x2′,L;x1′,0) dx1′ dx2′.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 s-wave 초전도체에 근접화된 알테르마그네틱 시스템은 순자화 없이도 유한 모멘텀 쿠퍼쌍을 갖는가?
• RQ2 알테르마그네트의 비등방성 스핀 분리가 모멘텀 q와 그 각도 의존성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 도핑 μ, 접합 길이 L, 방향 φ에 따라 AM-SC 및 AM-AM 접합에서 순서 매개변수와 Josephson 전류에 관찰 가능한 결과는 무엇인가?
• RQ4 RuO2 또는 유사한 알테르마그네트가 순자화 없이 0-π 전이를 보일 수 있는가, 그리고 서로 다른 접합 기하에서 지배적인 쿠퍼-쌍 궤도는 무엇인가?

주요 결과

• 알테르마그네트의 쿠퍼 쌍은 전파 각도 θ에 크게 의존하며 결정축을 따라서는 0으로 사라지는 유한 모멘텀 q를 얻는다.
• 유도된 순서 매개변수 Ψ는 (y′)^{-3/2}로 감소하고 방향 의존적 주기 Pθ′∝1/|Fθ′|로 진동한다.
• Josephson 접합은 μ, L 또는 φ가 변화할 때 0-π 전이를 보이며, Ic는 순서 매개변수 진동항과 유사한 형태의 식으로 주어진다.
• 지배적 쿠퍼-페어 전달 방향 θm은 φ에 따라 이동하며, 접합이 결정축에 평행할 때 큰 경사 각도 수송이, 대각 방향일 때(φ≈π/4) 접합 방향 수송이 지배적이 된다.
• 본 결과는 순자화 없는 유한 모멘텀 짝짓기를 생성하고 대칭성에 의해 각도 패턴이 결정된다는 점에서 강자성체/ 반강자성체와 차이를 보인다.
• RuO2가 일반 매개변수에 대해 진동 주기가 약 16–20 nm 정도로 추정되는 현실적인 후보 물질로 확인된다.