[论文解读] Finite-momentum Cooper pairing in proximitized altermagnets

Song-Bo Zhang, Lun‐Hui Hu+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 53被引用 8

一句话总结

该论文表明，在被s波超导体负载的交替磁性金属中，库珀对获得有限动量且具有强烈的角向各向异性，导致有序参数的振荡以及约瑟夫森结中的0-π跃迁，但总体磁化为零。

ABSTRACT

Finite-momentum Cooper pairing is an unconventional form of superconductivity that is widely believed to require finite magnetization. Altermagnetism is an emerging magnetic phase with highly anisotropic spin-splitting of specific symmetries, but zero net magnetization. Here, we study Cooper pairing in metallic altermagnets connected to conventional $s$-wave superconductors. Remarkably, we find that the Cooper pairs induced in the altermagnets acquire a finite centre-of-mass momentum, despite the extit{zero} net magnetization in the system. This anomalous Cooper-pair momentum strongly depends on the propagation direction and exhibits unusual symmetric patterns. Furthermore, it yields several unique features: (i) highly orientation-dependent oscillations in the order parameter, (ii) controllable 0-$π$ transitions in the Josephson supercurrent, (iii) large-oblique-angle Cooper-pair transfer trajectories in junctions parallel with the direction where spin splitting vanishes, and (iv) distinct Fraunhofer patterns in junctions oriented along different directions. Finally, we discuss the implementation of our predictions in candidate materials such as RuO$_{2}$ and KRu$_{4}$O$_{8}$.

研究动机与目标

• 研究在无净磁化的情况下，在交替磁性材料中研究超导性的重要性。
• 表征近旁诱导的库珀对在交替磁性材料中获得有限动量的机制。
• 理解角依赖性及其对有序参数振荡和约瑟夫森电流的影响。
• 预测实验特征，如0-π跃迁和主导斜角度库珀对传输的存在。

提出的方法

• 用二维d波样的自旋分裂哈密顿量对交替磁性材料建模 H(k)=t(kx^2+ky^2)+Jkxky sz。
• 计算库珀对传播子（库珀子泡）D(r2;r1)并通过 q=√(2μ)(J+−J−) 确定有限动量 q。
• 由 D 推导近旁诱导的有序参数 Ψ(r′)=λ∫Dx′1 D(r′;x′1,0)。
• 分析大宽度结构的极限，得到随距离 y′ 振荡并衰减的 Ψ(r′)， Ψ∝cos(√μ Fθ′ y′+π/4)/(y′)^{3/2}μ^{1/4}。
• 提取主导传播角 θm及其对结方向 φ 的依赖。
• 通过 δφ 相关的自由能计算约瑟夫森临界电流 Ic，其中 Ic=(4e/ħ)∫∫ D(x2′,L;x1′,0) dx1′ dx2′。

实验结果

研究问题

• RQ1 被s波超导体近旁化的交替磁性系统是否在净磁化为零的情况下承载有限动量的库珀对？
• RQ2 交替磁性材料中的各向异性自旋分裂如何影响动量 q 及其角依赖？
• RQ3 在 AM-SC 与 AM-AM 结中，随着掺杂 μ、结长度 L、取向 φ 的变化，有序参数与约瑟夫森电流的可观测后果是什么？
• RQ4 RuO2 或类似的交替磁性材料是否在无净磁化的情况下表现出0-π跃迁，不同结几何情况下主导的库珀对轨迹是什么？

主要发现

• 交替磁性材料中的库珀对获得有限动量 q，且强烈依赖传播角度 θ，在晶轴上沿着特定角度会消失。
• 诱导有序参数 Ψ 以 (y′)^{-3/2} 衰减并以周期 Pθ′∝1/|Fθ′| 振荡，且周期随取向变化。
• 当 μ、L 或 φ 改变时，约瑟夫森结展现出0-π跃迁，Ic 的表达式类似于有序参数振荡项。
• 主导的库珀对传输方向 θm 会随 φ 移动，当结平行于晶轴时出现强烈斜角传输；当结对角（φ≈π/4）时出现结-方向传输。
• 结果与铁磁/反铁磁材料形成对比：在没有净磁化的情况下产生有限动量配对，并呈现对称性驱动的角向模式。
• RuO2 被确认为现实候选材料，典型参数下的振荡周期估计在 16–20 nm 量级。