[논문 리뷰] Spin-orbit coupling suppression and singlet-state blocking of spin-triplet Cooper pairs

Sachio Komori, James Devine-Stoneman외 11명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 30.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 스핀-삼중성 쿠퍼 쌍의 동역학을 니오븀(Nb)에서 조사한다. Nb는 강한 스핀-오비탈 결합(SOC)을 갖는 s-파형 초전도체이다. 연구는 정상 상태에서 스핀-삼중성 초전류가 SOC에 의해 유도된 스핀 산란로 인해 약 5 nm 이내로 감쇠되며, 초전도 상태에서는 단일 상태 갭 상태가 이용 가능하지 않아 완전히 차단됨을 보여준다. 주요 기여는 s-파형 초전도체에서 스핀-삼중성 조화를 제한하는 주요 메커니즘으로서 SOC 억제와 단일 상태 차단을 규명한 데 있다.

ABSTRACT

An inhomogeneous magnetic exchange field at a superconductor/ferromagnet interface converts spin-singlet Cooper pairs to a spin-aligned (i.e. spin-polarized) triplet state. Although the decay envelope of such triplet pairs within ferromagnetic materials is well studied, little is known about their decay in non-magnetic metals and superconductors, and in particular in the presence of spin-orbit coupling (SOC). Here we investigate devices in which triplet supercurrents are injected into the s-wave superconductor Nb. In the normal state of Nb, triplet supercurrents decay over a distance of 5 nm, which is an order of magnitude smaller than the decay of spin singlet pairs due to the SOC interacting with the spin associated with triplet pairs. In the superconducting state of Nb, triplet supercurrents are not able to couple with the singlet wavefunction and thus blocked by the absence of available equilibrium states in the singlet gap. The results offer new insight into the dynamics between s-wave singlet and s-wave triplet states.

연구 동기 및 목표

• 비자화성 및 초전도성 물질에서 스핀-삼중성 쿠퍼 쌍의 붕괴 동역학을 이해하기 위해 스핀-오비탈 결합(SOC)이 존재할 경우를 포함하여 연구한다.
• 초전도성 Nb에서 s-파형 단일 상태와 스핀-삼중성 쿠퍼 쌍 상태 간의 상호작용을 조사한다.
• Nb의 초전도 갭이 삼중성 초전류를 억제하는 방식과 그 기반이 되는 메커니즘을 규명한다.
• 실험적 및 이론적으로 정상 상태와 초전도 상태에서의 다양한 조건에서 Nb 내 삼중성 쌍의 조화 길이를 특성화한다.
• SOC와 단일-삼중성 상태 경쟁이 s-파형 초전도체에서 삼중성 초전류 전파를 제한하는 데 미치는 영향을 명확히 한다.

제안 방법

• 중앙 S’층으로 Nb를 사용하여 네단자 S/FL/S’/FR/S 장치를 제작하여 삼중성 초전류를 주입한다.
• 자기 이질성에 의해 단일 상태를 삼중성 상태로 전환시키기 위해 Cr/Fe/Cr 삼중층을 스핀 혼합 인터페이스로 사용한다.
• Nb의 정상 상태와 초전도 상태에서의 전류-전압 특성을 측정하여 삼중성 조화 길이를 추출한다.
• 관절에서의 조지프슨 전류를 기술하기 위해 완전히 스핀 편극된 터널성 자성 도핑 모델을 적용한다.
• 빈도 표현에서 고르코프 방정식을 풀어 비정상 그린 함수와 조지프슨 전류 밀도의 정확한 형태를 유도한다.
• 터널링 강도에 대해 7차까지의 펌베이션 전개를 수행하여 전류의 온도 및 갭 의존성을 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Nb의 정상 상태에서 스핀-삼중성 쿠퍼 쌍의 조화 길이는 얼마이며, 스핀-오비탈 결합(SOC)에 의해 어떻게 영향을 받는가?
• RQ2 Nb의 초전도 갭이 삼중성 초전류를 어떻게 억제하며, 그 기반이 되는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 가용한 평형 상태가 부족함으로써 단일 초전도 갭이 삼중성 쌍의 전파를 어느 정도 차단하는가?
• RQ4 SOC와 초전도 갭 간의 상호작용이 s-파형 초전도체에서 삼중성 전류와 단일 전류의 상대적 감쇠에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 삼중성 쌍 주입이 있는 조지프슨 관절에서의 조지프슨 전류는 SOC와 단일-삼중성 경쟁을 포함하는 이론으로 정량적으로 기술할 수 있는가?

주요 결과

• Nb의 정상 상태에서 스핀-삼중성 초전류는 약 5 nm의 조화 길이로 감쇠되며, 이는 SOC에 의해 유도된 스핀 산란로 인해 단일 상태 쌍의 감쇠 길이보다 약 10배 짧다.
• Nb의 초전도 상태에서 삼중성 초전류는 단일 초전도 갭이 같은 스핀 성분을 가진 상태를 제공하지 않기 때문에 완전히 차단된다. 이는 삼중성 파동함수와의 결합을 방지한다.
• 고르코프 방정식을 사용한 이론적 모델링 결과, 단일 초전도 오더 파rameter(Δ₀)가 비정상 그린 함수의 삼중성 성분을 억제하여 조지프슨 전류의 감쇠를 유도함을 보여준다.
• 관절의 조지프슨 전류 밀도는 sinφ에 비례하며, 임계 전류는 |Δ₀|²이 증가함에 따라 감소함을 확인하여 단일 상태 쌍에 의한 억제를 확인한다.
• 저온에서 임계 전류는 삼중성과 단일 상태 성분 간의 상호작용으로 인해 비단조적인 온도 의존성을 보이며, |Δ₀|² > T²일 때 억제 효과가 뚜렷해진다.
• 모델은 대칭 관절에서 조지프슨 전류가 (t/Tc₀)⁸(h/Tc₀)²(|Δ₁|/Tc₀)⁻⁶(Tc₀/T)² 비례로 스케일링됨을 예측하여, 단일 갭이 삼중성 전류를 강하게 억제함을 강조한다.