[论文解读] The effect of normal metal layers in ferromagnetic Josephson junctions

Dennis M. Heim, Н. Г. Пугач+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 50被引用 6

一句话总结

本文提出一种基于Usadel方程的紧凑形式化方法，用于计算21种具有绝缘（I）和正常金属（N）层的铁磁结（SF界面）的临界电流密度。结果表明，即使N层很薄，通过调节其厚度，也能实现0–π转变的移动或诱导，从而提供一种在不改变铁磁层厚度的前提下调控基态相位的机制。

ABSTRACT

Using the Usadel equation approach, we provide a compact formalism to calculate the critical current density of 21 different types of ferromagnetic (F) Josephson junctions containing insulating (I) and normal metal (N) layers in the weak link regions. In particular, we obtain that even a thin additional N layer may shift the 0-$π$ transitions to larger or smaller values of the thickness $d_F$ of the ferromagnet, depending on its conducting properties. For certain values of $d_F$, a 0-$π$ transition can even be achieved by changing only the N layer thickness. We use our model to fit experimental data of SIFS and SINFS tunnel junctions, where S is a superconducting electrode.

研究动机与目标

• 开发一种统一的形式化方法，用于计算包含I层和N层的多种F-Josephson结的临界电流密度。
• 研究正常金属层对铁磁Josephson结中0–π转变的影响。
• 确定仅通过改变N层厚度是否能够独立于铁磁层厚度诱导0–π转变。
• 建立模型以分析‘死层’——非磁性界面区域——对结行为和相变的影响。
• 实现对SIFS和SINFS隧道结实验数据的精确拟合，使用所开发的模型。

提出的方法

• 使用Usadel方程对超导体、正常金属和铁磁层中的准经典格林函数进行建模。
• 在SF和NF界面应用边界条件，以关联各层之间的相位差和序参量振幅。
• 推导出N层中序参量相位的超越方程，并通过数值方法求解N层相位变量。
• 考虑界面透射率较低和界面电阻较小的极限情况，将问题简化为关于N层相位参数的四阶方程。
• 通过在整个结上积分sine-Gordon方程，从相位差中确定临界电流密度。
• 通过拟合SIFS和SINFS结的实验数据验证模型，同时考虑界面效应和死层的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在SF界面插入正常金属层如何影响铁磁Josephson结中的0–π转变？
• RQ2 是否仅通过调节正常金属层的厚度，而不改变铁磁层厚度，就能诱导0–π转变？
• RQ3 界面‘死层’在移动或改变0–π转变点方面起什么作用？
• RQ4 绝缘层和正常金属层如何影响FJJs中的临界电流密度和$J_c R_N$乘积？
• RQ5 Usadel形式化方法在多大程度上能准确描述包含界面层的实验SIFS和SINFS结数据？

主要发现

• 薄的正常金属层可使0–π转变点向铁磁层厚度更大或更小的方向移动，具体取决于其电导率。
• 在某些铁磁层厚度下，仅通过调节SF界面处N层的厚度，即可完全诱导0–π转变。
• 该模型成功拟合了SIFS和SINFS结的实验数据，包括存在界面死层的情况。
• 存在死层（建模为非磁性界面区域）会显著改变有效铁磁层厚度和相变行为。
• 在低界面透射率极限下，形式化方法可简化为关于N层相位参数的四阶方程，从而提供解析洞察。
• 临界电流密度强烈受N层厚度、界面透射率和铁磁交换能之间相互作用的影响。