[논문 리뷰] Spin-polarized Andreev tunneling through the Rashba chain

Maciej M. Maśka, T. Domański|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 05.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 24인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 라슈바 체인의 초전도체 기질 위에서, 선택적 동일 스핀 안드레이브 반사(SESAR) 분광법을 통한 스핀 분류된 안드레이브 터널링이, 영 에너지 마요라나 준입자와 일반적인 인간 상태를 구별할 수 있음을 제안한다. 라슈바 스핀 오비터 결합, 자일라르 분열, 그리고 인접에서 유도된 촉진된 페어링을 포함하는 미세한 모형을 사용하여, 저자들은 비정상적인 후행 그린 함수가 영 에너지에서 비영인 비대칭 성분을 가지며, 이를 통해 감지 가능한 스핀 분류된 잔여 에너지 갭 전도도를 유도함을 보여주었다. 이는 위상적 초전도성과 마요라나 모드를 탐사하기 위한 실용적인 STM 기반 방법을 제공한다.

ABSTRACT

We demonstrate that the selective equal spin Andreev reflection (SESAR) spectroscopy can be used in STM experiments to distinguish the zero-energy Majorana quasiparticles from the ordinary fermionic states of the Rashba chain. Such technique, designed for probing the p-wave superconductivity, could be applied to the intersite pairing of equal-spin electrons in the chain of magnetic Fe atoms deposited on the superconducting Pb substrate. Our calculations of the effective pairing amplitude for individual spin components imply the magnetically polarized Andreev conductance, which can be used to `filter' the Majorana quasiparticles from the ordinary in-gap states, although the pure spin current (i.e., perfect polarization) is impossible.

연구 동기 및 목표

• 1차원 라슈바 체인에서 위상적 마요라나 준입자와 비위상적 인간 상태를 실험적으로 구별할 수 있는 방법을 수립하기 위해.
• 스핀 분류된 안드레이브 터널링, 특히 SESAR가 마요라나 모드의 내재된 자기적 분류를 감지할 수 있음을 보여주기 위해.
• Fe 체인을 Pb 기질 위에 놓은 STM 실험에서 관측된 스핀 분류의 미세한 해석을 제공하기 위해.
• 동일 스핀 전자 간의 인접에서 유도된 p-파 페어링이 영 에너지에서 비영인 스핀 분류된 안드레이브 전도도를 유도함을 보여주기 위해.
• 자기적으로 분류된 STM 피크를 사용하여 실제 물질에서 위상적 초전도성을 탐사하는 것이 실현 가능함을 검증하기 위해.

제안 방법

• s-파 초전도체 위에 있는 자성 Fe 체인을 위한 저에너지 해밀토니안을 수립하며, 국소 페어링, 라슈바 스핀 오비터 결합, 자일라르 분열을 포함한다.
• 자기 효과를 자가에너지 접근법을 통해 모델링하여, 스핀업 및 스핀다운 채널에 대한 효과적 페어링 앰플리튜드를 유도한다.
• Keldysh 형식을 사용하여 후행 및 낮은 그린 함수를 계산하여 STM 피크를 통한 전자 이동을 기술한다.
• 비정상적인 후행 그린 함수 성분 ⟨⟨d↑d↓⟩⟩^r을 사용하여 잔여 에너지 갭 안드레이브 전류를 유도하며, 이는 동일 스핀 안드레이브 반사를 지배한다.
• 스핀 해상도 터널 전류 I↑(V) 및 I↓(V)를 계산하여 스핀업 대 스핀다운 전도도 비율을 통해 분류도를 정량화한다.
• 스펙트럼 함수 및 전도도의 수치적 평가를 통해 체인 가장자리 근처에서 영 에너지에서 비영인 분류도를 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SESAR 분광법은 라슈바 체인의 끝부분에 형성된 마요라나 준입자에서 스핀 분류를 감지할 수 있는가?
• RQ2 Pb 기질 위의 Fe 체인에서 STM 실험에서 관측된 영편위 전도도 피크의 스핀 분류의 기원은 무엇인가?
• RQ3 라슈바 스핀 오비터 결합, 자일라르 분열, 그리고 인접에서 유도된 페어링 간의 상호작용이 어떻게 스핀 분류된 안드레이브 과정을 생성하는가?
• RQ4 잔여 에너지 갭 전도도가 마요라나 모드와 일반적인 히바 인간 상태를 어느 정도로 잘 구별할 수 있는가?
• RQ5 안드레이브 전류의 스핀 분류도는 p-파 채널의 비대칭 페어링 앰플리튜드와 정량적으로 관련되어 있는가?

주요 결과

• 비정상적인 후행 그린 함수 성분 ⟨⟨d↑d↓⟩⟩^r은 체인 가장자리 근처에서 영 에너지에서도 여전히 유한하게 유지되며, 이는 위상적 마요라나 모드의 존재를 시사한다.
• 잔여 에너지 갭 안드레이브 전류는 스핀업 및 스핀다운 전자에 대한 비균형 페어링 앰플리튜드로 인해 스핀 분류가 발생하며, 이로 인해 스핀 채널 간의 전도도에 측정 가능한 차이가 발생한다.
• 계산된 안드레이브 전류의 스핀 분류도는 유한하지만, 비위상적 인간 상태에 잔류하는 결합으로 인해 완전한(100퍼센트) 분류도에 도달할 수 없다.
• 이 모형은 Pb 기질 위의 Fe 체인에서 실험적으로 관측된 스핀 분류도를 재현하며, 이는 이격된 p-파 페어링이 스핀 선택적 안드레이브 반사를 유도하는 역할을 함을 확인한다.
• 스핀 분류된 전도도는 주로 라슈바 및 자일라르 상호작용에 의해 유도된 p-파 페어링 채널에서 기인하며, 국소 s-파 페어링이 아닌 것으로 나타났다.
• 이 방법은 스핀 필터링 터널링을 통해 마요라나 준입자를 선택적으로 감지할 수 있게 하여, 실제 시스템에서 위상적 초전도성을 검증할 수 있는 실용적 길을 제공한다.