[논문 리뷰] Spontaneous symmetry breaking induced thermospin effect in superconducting tunnel junctions

Gaia Germanese, Federico Paolucci외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 68인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 자성 절연체에 의해 스핀 분리가 유도되는 입자-홀 대칭성의 자발적 위반에 의해 초전도성 터널 접합에서 새로운 열스핀 효과를 제안한다. 이 현상은 큰 온도 기울기 조건에서 스핀 분극화된 열전류를 생성한다. 기존의 스핀 밸브와 달리, 외부 극화 장벽이 없이 내재적으로 발생하므로, 열활성 성분이 지배할 경우 순수한 스핀 전류가 전하 전류를 초월하게 되며, 비선형 영역에서 최대의 스핀 전류 효율성과 열전력 발생을 달성할 수 있다.

ABSTRACT

We discuss the charge and the spin tunneling currents between two Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) superconductors, where one density of states is spin-split by the proximity of a ferromagnetic insulator. In the presence of a large temperature bias across the junction, we predict the generation of a spin-polarized thermoelectric current. This thermospin effect is the result of a spontaneous particle-hole symmetry breaking in the absence of any polarizing tunnel barrier. The two spin components, which move in opposite directions, generate a spin current larger than the purely polarized case when the thermoactive component dominates over the dissipative one.

연구 동기 및 목표

• 큰 온도 기울기 조건에서 하이브리드 자성 절연체/초전도체 접합에서의 열전 및 스핀 전송을 탐구한다.
• 스핀 분리에 의해 유도되는 자발적 입자-홀 대칭성 위반이 스핀 분극화된 열전류를 가능하게 하는 역할를 규명한다.
• 상반된 방향으로 흐르는 스핀 성분으로 인해 스핀 전류가 효율성 면에서 전하 전류를 초월할 수 있음을 보여준다.
• 비선형 열전 효과와 초전도 접합 내 스핀 분리 간의 상호작용을 분석한다.

제안 방법

• 자성 절연체(FI)와의 프록시 효과로 인해 스핀 분리된 초전도체(Sm)와 일반적인 BCS 초전도체(S) 사이의 터널 접합을 모델링한다.
• 교환장 hα를 고려한 스핀-σ 성분에 대한 정규화된 상태 밀도(Dos)를 사용하며, 잠재적 상태를 위한 Dynes 매개변수 Γ를 포함한다.
• 페르미-디랙 분포를 사용한 BCS 준입자 전송 형식론을 통해 전하 전류 Iq = I↑ + I↓ 및 스핀 전류 Is = I↑ - I↓를 계산한다.
• 선형 영역을 벗어나기 위해 큰 온도 기울기(TS > TSm)를 적용하여, 외부 극화 없이도 열전 효과가 나타나는 비선형 영역에 진입한다.
• 비선형 영역에서의 최대 전도도 Gmax와 선형 영역의 전도도 G0를 분석하여, 부정적인 미분 전도도 및 열전력 발생을 확인한다.
• 교환장 hexc와 Dynes 매개변수 Γ를 변화시켜 접합 품질 및 비보편적 효과에 대한 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 극화 장벽이 없는 초전도성 터널 접합에서 스핀 분극화된 열전류를 생성할 수 있는가?
• RQ2 스핀 분리에 의해 유도된 자발적 입자-홀 대칭성 위반이 어떻게 순수한 스핀 전류를 전하 전류보다 크게 만들 수 있는가?
• RQ3 큰 온도 기울기 조건에서의 비선형 영역이 스핀 분리 초전도 접합에서 열전력을 가능하게 하는 데 어떤 역할를 하는가?
• RQ4 접합의 전도도 행동(G0 및 Gmax)은 소산 영역과 열전 영역 간의 전이를 어떻게 반영하는가?
• RQ5 Dynes 매개변수 Γ로 모델링된 접합의 불완전성에 대해 열스핀 효과는 어느 정도 견고한가?

주요 결과

• 외부 극화 장벽이 전혀 없는 조건에서 자발적 입자-홀 대칭성 위반에 의해 스핀 분극화된 열전류가 생성된다.
• 열활성 성분이 지배할 경우 스핀 전류 |Is|가 전하 전류 |Iq|를 초월하며, 최대의 스핀 전류 효율성이 달성된다.
• 선형 영역에서 부정적인 미분 전도도(G0 < 0)가 나타나 내재된 열전 행동을 나타낸다.
• 비선형 영역에서 최대 전도도 Gmax가 일치 피크에서 < 0임을 확인하여 열전력 발생이 확인된다.
• Dynes 매개변수 Γ의 변화에 대해 두 개의 주요 오르드만큼의 범위에서 효과가 견고하며, 피크 전류 값의 변화는 중간 정도에 그친다.
• GL < |Gmax| 조건에서 시스템은 열전력 생성기로 작동하며, 안정적인 열전력 출력이 가능하다.