[논문 리뷰] Frequency-dependent spin accumulation in out-of-equilibrium mesoscopic superconductors

Denis Chevallier, C. Dutreix외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 08.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비평형 조건에서 미세구조 초전도체에서 스핀 축적의 이론적 프레임워크를 확장하며, 시간 평균 스핀 축적이 주파수에 독립적이지만 스핀 화학적 포텐셜과 비국소적 스핀 축적 전압은 강한 주파수 의존성을 보임을 보여준다. 이는 주파수 영역 측정을 통해 초전도체의 스핀 비탄성 시간을 실험적으로 추출할 수 있음을 의미한다.

ABSTRACT

We study the spin accumulation in a junction between a superconductor and a ferromagnet or a normal metal in presence of a Zeeman magnetic field applied to the superconductor, and when the junction is taken out of equilibrium by applying a voltage bias. We extend the formalism presented in C.H.L. Quay and al., Nature Physics 9, 84 (2013) to obtain the most general formulas for the spin accumulation for an applied DC bias, and we calculate the time-dependence of the spin accumulation for an applied AC voltage. We study both sinusoidal and rectangular AC pulses. We find that the time-averaged accumulated spin does not depend on the frequency of the applied bias, however the spin chemical potential, as well as the non-locally measured spin-accumulation voltage depend on the frequency. This dependence allows one to extract experimentally the spin relaxation time in a superconductor from measurements in the frequency domain.

연구 동기 및 목표

• 직류 및 교류 전압 펄스에 의한 초전도체-자성체 또는 초전도체-정상 금속 접합에서 스핀 축적의 수식 체계를 확장하기 위해.
• 제이먼드 필드가 존재하는 조건에서 시간에 따라 변화하는 전압 자극에 의해 스핀 축적이 어떻게 동적으로 진화하는지 조사하기 위해.
• 주파수 의존 측정이 초전도체의 스핀 비탄성 시간에 접근할 수 있는지 확인하기 위해.
• 정현파 및 직사각형 교류 펄스에 대해 일반적인 해석적 표현을 유도하기 위해.

제안 방법

• Quay 등 (Nature Physics 9, 2013)의 수식 체계를 시간에 의존하는 전압 펄스를 포함하도록 적응 및 확장하기 위해.
• 선형 반응 이론과 켈디시 비평형 그린 함수 기법을 적용하여 초전도체 접합에서의 스핀 축적을 모델링하기 위해.
• 정현파 및 직사각형 교류 전압 펄스에 대해 시간에 따라 변화하는 스핀 축적을 계산하기 위해.
• 주파수에 따른 스핀 화학적 포텐셜과 비국소적으로 측정된 스핀 축적 전압의 표현을 유도하기 위해.
• 스핀 반응의 주파수 의존성을 활용하여 실험적으로 스핀 비탄성 시간을 추출하기 위해.
• 시간 평균 스핀 축적과 주파수 의존성 스핀 포텐셜 간의 차이를 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제이먼드 필드가 존재하는 초전도체에서 교류 전압 펄스에 의해 시간에 따라 변화하는 스핀 축적이 어떻게 반응하는가?
• RQ2 적용된 교류 전압의 주파수가 시스템의 시간 평균 스핀 축적에 영향을 미치는가?
• RQ3 스핀 화학적 포텐셜의 주파수 의존성이 초전도체에서 스핀 비탄성 시간을 추출하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ4 정현파 및 직사각형 교류 펄스는 스핀 축적 역학에 어떻게 다른 영향을 미치는가?
• RQ5 비국소적으로 측정된 스핀 축적 전압과 구동 주파수 사이의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 시간 평균 스핀 축적은 적용된 교류 전압의 주파수에 독립적이다.
• 스핀 화학적 포텐셜은 주파수 의존성이 강하게 나타나며, 이는 시간 평균 스핀 축적에서는 관찰되지 않는다.
• 비국소적으로 측정된 스핀 축적 전압 역시 적용된 교류 신호의 주파수에 의존한다.
• 이 주파수 의존성은 초전도체의 스핀 비탄성 시간을 직접적으로 실험적으로 추출할 수 있는 길을 제공한다.
• 결과는 정현파 및 직사각형 교류 전압 펄스 모두에 대해 동일하게 성립하여 주파수 영역 응답의 강건성을 보여준다.
• 이 수식 체계는 비평형 미세구조 초전도체 장치에서 스핀 축적 역학을 정량적으로 예측할 수 있도록 한다.