[논문 리뷰] Theoretical aspects of Andreev spectroscopy and tunneling spectroscopy in non-centrosymmetric superconductors: a topical review

Matthias Eschrig, Christian Iniotakis외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 01. 14.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 2인용 수 161

한 줄 요약

이 논문은 비중심대칭 초전도체에서 안드레이브 및 터널링 분광법을 이해하기 위한 이론적 프레임워크를 제시하며, 스핀 편향된 유한 상태와 그들의 위상적 성질에 초점을 맞춘다. 삼중항 지배성 초전도성은 스핀 슈퍼전류를 지닌 나선형 표면 모드를 유도하는 반면, 등가의 단극-삼중극 성분은 양자상전이를 유도하며, 영-편압 전도도 피크는 비자명한 초전도 대칭과 스핀-오비트 결합 효과의 서명으로 기능한다.

ABSTRACT

Tunneling spectroscopy at surfaces of unconventional superconductors has proven an invaluable tool for obtaining information about the pairing symmetry. It is known that mid gap Andreev bound states manifest itself as a zero bias conductance peak in tunneling spectroscopy. The zero bias conductance peak is a signature for a non-trivial pair potential that exhibits different signs on different regions of the Fermi surface. Here, we review recent theoretical results on the spectrum of Andreev bound states near interfaces and surfaces in non-centrosymmetric superconductors. We introduce a theoretical scheme to calculate the energy spectrum of a non-centrosymmetric superconductor. Then, we discuss the interplay between the spin orbit vector field on the Fermi surface and the order parameter symmetry. The Andreev states carry a spin supercurrent and represent a helical edge mode along the interface. We study the topological nature of the resulting edge currents. If the triplet component of the order parameter dominates, then the helical edge mode exists. If, on the other hand, the singlet component dominates, the helical edge mode is absent. A quantum phase transition occurs for equal spin singlet and triplet order parameter components. We discuss the tunneling conductance and the Andreev point contact conductance between a normal metal and a non-centrosymmetric superconductor.

연구 동기 및 목표

• 비중심대칭 초전도체에서 안드레이브 분광법을 분석하기 위한 이론적 프레임워크를 개발하기 위해 준고전적 나무브-고르코프 그린 함수를 사용한다.
• 초전도 주기율 대칭과 피어미 표면에서의 스핀-오비트 결합 간의 상호작용을 조사한다.
• 표면에서 위상적으로 보호된 나선형 표면 모드—스핀 슈퍼전류를 지닌—가 나타나는 조건을 규명한다.
• 특히 영-편압 전도도 피크가 비자명한 초전도 대칭의 서명으로서 나타나는 터널링 전도도 및 포인트 접촉 스펙트럼을 분석한다.
• 단극 및 삼중극 성분이 균형을 이루는 경우, 위상적으로 다른 초전도 상태 간의 양자상전이를 규명한다.

제안 방법

• 비중심대칭 시스템에서 안드레이브 유한 상태를 모델링하기 위해 나무브-고르코프 그린 함수를 사용한 준고전적 초전도 이론을 적용한다.
• 안드레이브 근사에서 보고부 빛자기 함수 접근법을 사용하여 표면 및 인터페이스 근처의 유한 상태 에너지 스펙트럼을 유도한다.
• 터널링 전도도를 계산하기 위해 블론더-틴카姆-클라피윅(BTK) 모델을 적용한다.
• 피어미 표면에 스핀-오비트 벡터장 도입하고, 이가 주기율 대칭과 유한 상태 구조에 미치는 영향을 분석한다.
• 청결한 상태와 완벽한 투과를 가정하여, 양자 상태가 억제된 얇은 층을 통해 인터페이스를 모델링하고 전도도에 미치는 영향을 연구한다.
• 수치적 해법을 통해 라슈바, 드레셀하우스, 그리고 입방 대칭 형태의 스핀-오비트 결합을 분석하고, 응집도 계수 및 전도도 스펙트럼을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비중심대칭 초전도체에서 스핀-오비트 결합은 안드레이브 유한 상태의 형성과 위상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 어떤 조건에서 표면에서 스핀 슈퍼전류를 지닌 나선형 표면 모드가 나타나는가?
• RQ3 초전도 주기율 대칭에서 단극 대비 삼중극 성분의 상대 강도는 영-편압 전도도 피크 존재 여부에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 터널링 전도도 스펙트럼은 기저의 초전도 대칭과 스핀-오비트 벡터 구조를 어떻게 반영하는가?
• RQ5 초전도 주기율 대칭에서 단극 및 삼중극 성분이 동일할 경우의 양자상전이의 성격은 무엇인가?

주요 결과

• 나선형 표면 모드와 함께 스핀 슈퍼전류를 지닌 상태는 주기율 대칭에서 삼중극 성분이 단극 성분을 초월할 때만 나타난다.
• 단극 및 삼중극 주기율 대칭 성분이 동일한 경우에 양자상전이가 발생하며, 영에너지 안드레이브 유한 상태가 사라지고 새로운 위상적 기저 상태가 나타난다.
• 터널링 분광법에서의 영-편압 전도도 피크는 비자명한 초전도 대칭의 강력한 서명이며, 피어미 표면에서의 안드레이브 유한 상태 존재와 직접적으로 연결되어 있다.
• 라슈바 스핀-오비트 결합의 경우, 안드레이브 전도도는 두드러진 이방성과 함께 정상 전도도의 두 배로 증폭된 영-편압 피크를 보이며, 강한 스핀 편향 효과를 나타낸다.
• 입방 대칭의 경우, 전도도 스펙트럼은 s-파동 단극 초전도체와 유사하여 스핀-오비트 유도 이방성이 억제됨을 시사한다.
• 표면 층에서 주기율 대칭이 억제되어도 청결한 상태에서는 영-편압 전도도에 영향을 주지 않으며, 응집도 계수가 ε = 0에서 공간적으로 일정하게 유지된다.