[논문 리뷰] Odd-frequency Pairing in Conventional Josephson Junctions

Alexander V. Balatsky, Sergey S. Pershoguba외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 19.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 DC 및 AC 영역에서 조셉슨 전류가 흐를 때, 일반적인 조셉슨 접합에서 홀수 주파수 쌍화가 자연스럽게 발생함을 보여준다. 이론적 모델을 사용하여 저자들은 상호 리드 간의 홀수 주파수 쌍화 진폭이 조셉슨 위상 차이와 직접적으로 연결되어 스핀 순화도를 억제함을 밝혀내었으며, 이는 표준 초전도체 시스템에서 숨겨진 질서 메커니즘을 드러낸다.

ABSTRACT

Using a simple theoretical model, we demonstrate the emergence of odd-frequency pair amplitudes in conventional Josephson junctions both in the absence of a voltage (DC effect) and in the presence of a finite voltage (AC effect). In both cases, we find that odd-frequency interlead pairing emerges whenever a Josephson current is expected to flow. Additionally, we show that the interlead spin-susceptibility is directly influenced by the presence of the odd-frequency pair amplitudes. Specifically, we find that the spin-susceptibility is suppressed when the odd-frequency component is the largest. By establishing a novel link between the physics of Josephson junctions and odd-frequency pairing, this work demonstrates the importance of odd-frequency pairing for understanding conventional superconducting systems.

연구 동기 및 목표

• 일반적인 조셉슨 접합에서 홀수 주파수 쌍화의 존재를 초전도성의 교과서적 시스템으로 조사하기 위해.
• 특수한 물질이나 외부 드라이브 없이도 홀수 주파수 쌍화가 발생하는지 확인하기 위해.
• 홀수 주파수 쌍화와 스핀 순화도와 같은 측정 가능한 물리량 간의 관계를 탐색하기 위해.
• 조셉슨 전류가 흐를 때 홀수 주파수 쌍화가 조셉슨 접합의 일반적인 특성임을 입증하기 위해.
• 조셉슨 위상 제어를 통해 조절 가능한 플랫폼으로서 조셉슨 접합을 제안하여 홀수 주파수 쌍화를 연구하기 위해.

제안 방법

• 약한 연결을 통해 두 초전도체 리드로 연결된 일반적인 조셉슨 접합의 이론적 모델을 수립하였다.
• 베레진스키 조건을 사용하여 허용된 쌍 대칭을 분류하여, 홀수 주파수 쌍화가 대칭 허용 채널임을 규명하였다.
• 이종 리드 간의 쌍 진폭을 접근하기 위해 비정상적 그린 함수를 계산하였으며, 이는 내부 및 외부 리드 성분을 모두 포함하였다.
• 터널 강도에 대한 섭동 이론을 적용하여 이종 리드 비정상 그린 함수에 대한 최초 차수 보정을 계산하였다.
• 해석적 계속성과 푸리에 변환을 사용하여 주파수 및 시간에 의존하는 홀수 주파수 쌍화 진폭을 유도하였다.
• 스핀 순화도를 섭동적으로 계산하고, 홀수 주파수 쌍화 진폭과 관련지었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 드라이브나 특수한 물질 없이도 일반적인 조셉슨 접합에서 홀수 주파수 쌍화가 발생하는가?
• RQ2 홀수 주파수 쌍화 진폭은 조셉슨 전류와 위상 차이와 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ3 표준 접합에서 조셉슨 위상 제어를 통해 홀수 주파수 쌍화를 실험적으로 조절할 수 있는가?
• RQ4 홀수 주파수 쌍화는 이종 리드 간의 스핀 순화도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 조셉슨 전류 흐름과 홀수 주파수 쌍화를 통한 숨겨진 질서의 발생 사이에 기본적인 연결 고리가 존재하는가?

주요 결과

• 조셉슨 전류가 흐를 때, DC 및 AC 영역 모두에서 일반적인 조셉슨 접합에서 이종 리드 간의 홀수 주파수 쌍화 진폭이 발생한다.
• 정적(DC) 근사에서 오직 홀수 주파수 성분만 남으며, 이는 조셉슨 위상 차이와 직접적으로 연결되어 있다.
• AC 경우에서 홀수 주파수 진폭은 sin[(Ω_J t_av - Δφ_0)/2] 비례로 변화하며, 조셉슨 전류는 sin(Ω_J t_av - Δφ_0) 비례로 변화하여 1/2 주파수 이동을 보인다.
• 저온에서 이종 리드 간의 스핀 순화도는 유한하며, 홀수 주파수 쌍화 진폭이 최대일 때 직접적으로 억제된다.
• 홀수 주파수 쌍화 진폭은 마츠부라 주파수에서 실주파수로의 해석적 계속성을 통해 확인되어 물리적 관련성이 입증되었다.
• 이 시스템은 조셉슨 위상 제어를 통해 홀수 주파수 쌍화를 조절 가능한 플랫폼을 제공하며, 초전도체에서 숨겨진 질서를 탐구할 수 있는 새로운 길을 열어준다.