[논문 리뷰] Superconductivity Induced Ferromagnetism In The Presence of Spin-Orbit Coupling

Yao Lu, I. V. Tokatly외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 20.

Iron-based superconductors research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 스핀-오비트 결합을 가진 박막에서 초전도성이 자기 흡착체 간의 장거리 페로자성 결합을 초전류 매개 상호작용을 통해 유도할 수 있음을 보여준다. 전자기장과 스핀-오비트 결합이 결합되어 2차원 격자에서 페로자성 질서를 지지하는 덩이형 상호작용을 생성하며, 이는 전통적으로 초전도성과 페로자성 간의 상충성과 도전한다.

ABSTRACT

We investigate the behavior of magnetic impurities placed on the surface of superconductor thin films with spin-orbit coupling. Our study reveals long-range interactions between the impurities, which decay according to a power law, mediated by the supercurrents. Importantly, these interactions possess a ferromagnetic component when considering the influence of the electromagnetic field, leading to the parallel alignment of the magnetic moments in the case of two impurities. In a Bravais lattice of magnetic impurities, superconductivity facilitates the establishment of ferromagnetic order within specific parameter ranges. These findings challenge the conventional understanding that ferromagnetism and superconductivity are mutually exclusive phenomena. Our theoretical framework provides a plausible explanation for the recently observed remanent flux in iron-based superconductors, particularly Fe(Se,Te).

연구 동기 및 목표

• 스핀-오비트 결합이 있는 초전도 박막에서 자기 흡착체 간의 자성 상호작용을 조사하기 위해.
• 전자기장과 스핀-갈바닉 효과가 초전류 매개 상호작용의 성질을 어떻게 수정하는지 규명하기 위해.
• 초전도성에 의해 유도된 상호작용으로 인해 자기 흡착체 격자에서 페로자성 질서가 어떻게 나타나는지 탐색하기 위해.
• 최근의 철계 초전도체인 Fe(Se,Te)에서 관측된 잔류 플럭스와 페로자성 서명을 이론적으로 설명하기 위해.

제안 방법

• 스핀-오비트 결합이 있는 자기 흡착체를 포함한 2차원 라슈바 시스템에서의 초전도성 인접 효과에 대한 이론적 분석.
• 유도된 자성 상호작용을 기술하기 위해 켈디시 포텐셜을 유도하며, 이는 2차원과 3차원 덩이형 상호작용 사이를 보간한다.
• 런던-펄 스크리닝 이론을 사용하여 전자기장 반응과 전류 분포에 미치는 영향을 모델링한다.
• 자기 상호작용 텐서 $ F_I^{ij} $ 를 계산하며, 이는 흡착체 간 상호작용 벡터에 대해 평행 및 수직 성분으로 분해된다.
• 온도에 따른 초전도 갭 $ ilde{ abla} $, 초류 밀도 $ D $, 펄 길이 $ r_0 $ 를 자가일관적으로 결정한다.
• 유한 온도에서 다양한 브라베 격자(삼각형 및 정사각형)에 대해 위상도를 수치적으로 해결한다.

Figure 1: Schematic picture of magnetic impurities on top of a superconductor thin film with spin-orbit coupling. The red arrows represent the magnetization of the impurities. The green arrows are the exchange field-induced localized anomalous currents. The black loop represents the total current in

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀-오비트 결합 시스템에서의 초전도성이 자기 흡착체 간에 장거리 페로자성 결합을 유도할 수 있는가?
• RQ2 전자기장은 초전류 매개 자성 상호작용의 공간적 의존성과 대칭성을 어떻게 변화시키는가?
• RQ3 스핀-오비트 결합은 어떤 역할을 하여 이상적인 전류를 생성하고 자성 질서를 매개하는가?
• RQ4 2차원 자기 흡착체 격자에서 어떤 매개변수 영역에서 페로자성 기저 상태가 나타나는가?
• RQ5 Fe(Se,Te)에서 관측된 페로자성 서명은 초전도 표면 상태에서의 초전류 매개 상호작용으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 초전류 매개 자성 상호작용은 2차원과 3차원 덩이형 상호작용 사이를 보간하는 덩이형 형태를 띠며, 큰 거리에서 $ 1/r^3 $ 으로 감쇠된다.
• 스핀-오비트 결합과 전자기 스크리닝의 상호작용으로 인해 순 페로자성 성분이 존재하여 삼각형 격자에서 페로자성 기저 상태를 지지한다.
• 영 온도에서 삼각형 격자는 순 페로자성 결합 $ (J_{\text{parallel}} - J_{\text{perp}})/2 $ 로 인해 페로자성 기저 상태를 지닌다. 반면 정사각형 격자는 반자성 상태를 선호한다.
• 실제 매개변수 조건에서 Fe(Se,Te)의 경우 영 온도에서 상호작용 강도는 약 2 meV로 추정되며, 초전도 갭과 유사하여 열 변동에 대해 강건함을 시사한다.
• 유한 온도 분석에서는 상호작용 강도가 온도가 증가함에 따라 감소하고, 높은 온도에서 페로자성에서 반자성 질서로의 전이가 예측된다.
• 이 모델은 Fe(Se,Te)에서 관측된 히스테리시스 자화와 표면에 국한된 페로자성 질서를 설명하며, 초전도 임계 온도 이상에서는 이러한 현상이 사라지므로 초전류 매개 기원을 지지한다.

Figure 2: a) Superconductivity-induced magnetic interaction as a function of Pearl length. The red and blue colors denote $J_{\parallel}$ and $J_{\perp}$ , respectively. The circles are the exact results calculated from Eq. ( 9 ) and the lines are the approximate values obtained from Eq. ( 10 ). b)