[论文解读] dc Josephson Effect in Altermagnets

Jabir Ali Ouassou, Arne Brataas+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 6

一句话总结

该论文表明，反磁体——一种具有净磁矩为零但具有强动量依赖自旋能级分裂的材料——由于其独特的能带结构，在直流约瑟夫森效应中表现出0-π振荡。尽管净磁矩为零，约瑟夫森电流仍表现出振荡行为，其衰减长度和振荡周期强烈依赖于晶向取向，从而实现了对反磁性的探测以及通过界面各向异性对超电流的调控。

ABSTRACT

The ability of magnetic materials to modify superconducting systems is an active research area for possible applications in thermoelectricity, quantum sensing, and spintronics. We consider the fundamental properties of the Josephson effect in a third class of magnetic materials beyond ferromagnets and antiferromagnets: altermagnets. We show that despite having no net magnetization, altermagnets induce $0$-$π$ oscillations. The decay length and oscillation period of the Josephson coupling are qualitatively different from ferromagnetic junctions and depend on the crystallographic orientation of the altermagnet. The Josephson effect in altermagnets thus serves a dual purpose: it acts as a signature that distinguishes altermagnetism from conventional (anti)ferromagnetism and offers a way to tune the supercurrent via flow direction anisotropy.

研究动机与目标

• 研究反磁体（一种与铁磁体和反铁磁体不同的第三类磁性材料）中的约瑟夫森效应。
• 确定尽管净磁矩为零，反磁体是否能诱导超电流中的0-π振荡。
• 探讨约瑟夫森电流的衰减长度和振荡周期如何依赖于结界面的晶向取向。
• 建立反磁体中的约瑟夫森效应作为识别候选材料中反磁序的诊断工具。
• 展示通过反磁约瑟夫森结中库珀对流动方向的各向异性调控超电流的潜力。

提出的方法

• 本研究采用Bogoliubov–de Gennes（BdG）形式化方法，模拟具有超导电极和反磁性中间层的二维正方晶格。
• 采用平均场紧束缚哈密顿量，包含最近邻跃迁、化学势、超导配对以及一个自旋依赖的类似交换项（m），以模拟反磁性。
• 反磁序被建模为动量依赖的自旋能级分裂：对于自旋向上电子，沿一个轴方向t → t + m，沿垂直轴方向t → t − m，自旋向下电子则相反。
• 模拟了两种结构几何：与晶轴对齐的“直”结（n = e_x）和45°方向的“对角”结（n = (e_x − e_y)/√2），以实现各向异性研究。
• 约瑟夫森电流作为结长度L、反磁强度m、温度T和界面取向的函数进行计算，临界电流I_c通过电流-相位关系提取。
• 数值模拟使用BdG方法，常数参数为：t = 1，μ = −t/2，Δ = 0.1t，m从0.05t到0.9t不等。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管净磁矩为零，反磁体是否能诱导直流约瑟夫森效应中的0-π振荡？
• RQ2 约瑟夫森电流的衰减长度和振荡周期如何依赖于反磁体相对于超导体的晶向取向？
• RQ3 反磁体中的约瑟夫森效应在定性上是否与铁磁或反铁磁结中的效应不同？
• RQ4 约瑟夫森效应能否作为区分候选材料中反磁性与传统（反）铁磁性的诊断工具？
• RQ5 在反磁结中，通过库珀对流动方向的各向异性，超电流的调控程度如何？

主要发现

• 尽管净磁矩为零，反磁体仍能诱导约瑟夫森电流中的0-π振荡，这使其与传统（反）铁磁体相区别。
• 对于m = 0.05t的直结，首次0-π振荡出现在L = 15a处，而对角结则要到L = 35a才出现，表明振荡起始存在强烈的各向异性。
• 当m = 0.5t时，仅在直结中观察到宽范围L内的持续0-π振荡，而对角结仅在更长长度处出现振荡。
• 当m = 0.9t时，由于x轴方向自旋向下电子输运被强烈抑制，超电流迅速衰减，导致约瑟夫森效应几乎消失。
• 临界电流I_c表现出非单调的温度依赖性，在直结中T = 0.6T_c处出现尖锐下凹，标志0-π转变，而对角结在相同参数下无此现象。
• 结果表明，反磁结可能作为自旋选择性滤波器，仅允许特定自旋三重态库珀对态（如x方向的↑↑，y方向的↓↓）传输，同时抑制自旋单重态对。