[論文レビュー] Signature of Anomalous Andreev bound states in magnetic Josephson junction of noncentrosymmetric superconductor on a topological insulator

Saumen Acharjee, Umananda Dev Goswami|arXiv (Cornell University)|May 3, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 105被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、トポロジカル絶縁体（TI）表面に配置された非中心対称超伝導体（NCSC）と半金属的バリアを有するジョセフソン接合を対象とし、ボゴリューボフ＝デギエンス形式を用いて、特定の磁場および対称化条件の下で異常アンドレエフ束縁状態（ABS）とキラルマヨラナモードが出現することを示している。平行な磁化モーメントでは4π周期のスーパーキャリントが観測され、反平行なずれでは2π周期のABSが現れる。臨界電流はスレーター型またはトリプレット型が支配的なNCSCで最大となり、スレーター-トリプレット混合比が等しい場合に最小化される。

ABSTRACT

We study the Josephson effect in a clean noncentrosymmetric superconductor/half-metal/noncentrosymmetric superconductor junction, which is grown on the surface of a three-dimensional Topological Insulator (TI) in the ballistic limit. We find the signature of anomalous Andreev Bound States (ABS) and band splitting for a spin-active barrier whose barrier magnetic moment is misaligned with the bulk moment. The chiral Majorana mode and 4$\pi$ periodic ABS are found to exist on the surface of TI for parallel orientation of the moments in the normal incidence condition. But for anti-parallel misalignment, we observe the 2$\pi$ periodic ABS. There exist a gap in ABS for oblique incidence. We find the splitting of Andreev levels in the presence of RSOC and also for unequal mixing of singlet-triplet correlations present in NCSC. The Majorana mode, ABS and Josephson supercurrent can be controlled by the ratio of barrier magnetic and non-magnetic moments. The critical current is found to be maximum for singlet or triplet dominated NCSC, while it is minimum in the equal mixing condition. The ABS is found to be barrier thickness dependent and is suppressed for an opaque barrier. We observe a monotonic decay in critical current with a finite length of the junction for all the singlet-triplet mixings and magnetic moments. The current-phase relation is found to be sinusoidal with no phase shift in the half-metallic limit, however, for different orientations of the bulk moment, an anomalous characteristic is also observed.

研究の動機と目的

• 非中心対称超伝導体におけるラシュバスピン軌道結合（RSOC）、スレーター-トリプレット対称化混合、および磁性バリア特性の相互作用を、トポロジカル絶縁体上での理解を深めること。
• TI表面における磁性ジョセフソン接合で、異常アンドレエフ束縁状態（ABS）およびキラルマヨラナモードがどのように出現するかを解明すること。
• 磁性バリアと非磁性バリアのモーメント比がジョセフソンスーパーキャリントおよびABS特性に与える影響を調査すること。
• 臨界電流および電流-位相差関係（CPR）が接合の幾何学的形状、対称化の性質、磁化の整列状態にどのように依存するかを特定すること。

提案手法

• 3次元TI表面に配置されたクリーンで弾道的NCSC/半金属/NCSC接合の準粒子スペクトルおよびスーパーキャリントをモデル化するために、ボゴリューボフ＝デギエンス（BdG）形式を用いる。
• スピン活性バリアをモデル化するため、ラシュバスピン軌道結合（RSOC）および界面におけるスピン依存性散乱を組み込む。
• 通常入射および斜め入射の両条件を想定し、ABSエネルギースペクトルおよび電流-位相差関係を評価する。
• 数値的および解析的にジョセフソンスーパーキャリントを計算し、NCSCにおけるスレーター-トリプレット対称化混合を明示的に取り扱う。
• 磁化モーメントの向き（平行対比 vs. 反平行）およびバリア厚さを変化させ、トポロジカル位相転移を調査する。
• 臨界電流および電流-位相差関係（CPR）を、対称化混合比、磁化モーメント比、接合長さの関数として評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁化モーメントの向き（平行対比 vs. 反平行）がジョセフソン電流の周期性および異常アンドレエフ束縁状態（ABS）の存在に与える影響は何か？
• RQ2 ラシュバスピン軌道結合（RSOC）およびスレーター-トリプレット対称化混合が、アンドレエフ準位の分裂を引き起こし、キラルマヨラナモードを可能にする役割は何か？
• RQ3 バリアの磁性モーメントと非磁性モーメントの比が、臨界電流および4π周期的スーパーキャリントの出現に与える制御機構は何か？
• RQ4 接合長さおよび対称化混合比（スレーター-トリプレット混合）に依存する臨界電流の依存性は何か？
• RQ5 異なる磁化および対称化状態下で、電流-位相差関係が正弦関数的挙動からどのように逸脱するか？

主な発見

• 通常入射の極限において、磁化モーメントが平行な配置では4π周期のジョセフソンスーパーキャリントおよびキラルマヨラナモードが出現し、トポロジカル超伝導性を示している。
• 反平行なずれでは、ABSは2π周期的となり、非トポロジカル位相への遷移を示している。
• アンドレエフ束縁状態は、ラシュバスピン軌道結合および不均一なスレーター-トリプレット対称化混合によってバンド分裂を示している。
• 臨界電流はスレーター型またはトリプレット型が支配的なNCSCで最大となり、スレーター-トリプレット混合比が等しい場合に最小化され、接合長さの増加に伴い単調に減少する。
• 半金属的極限では電流-位相差関係は正弦関数的で、位相シフトなしであるが、非共線な磁化モーメント配置では異常な特性が現れる。
• ABSは不透明なバリアで抑制され、バリア厚さに強く依存しており、バリア工学による制御が可能であることが示唆されている。