[论文解读] Frequency-dependent spin accumulation in out-of-equilibrium mesoscopic superconductors
本文扩展了非平衡条件下介观超导体中自旋积累的理论框架，表明尽管时间平均自旋积累与频率无关，但自旋化学势和非局域自旋积累电压表现出强烈的频率依赖性。这使得通过时域测量实验提取超导自旋弛豫时间成为可能。
We study the spin accumulation in a junction between a superconductor and a ferromagnet or a normal metal in presence of a Zeeman magnetic field applied to the superconductor, and when the junction is taken out of equilibrium by applying a voltage bias. We extend the formalism presented in C.H.L. Quay and al., Nature Physics 9, 84 (2013) to obtain the most general formulas for the spin accumulation for an applied DC bias, and we calculate the time-dependence of the spin accumulation for an applied AC voltage. We study both sinusoidal and rectangular AC pulses. We find that the time-averaged accumulated spin does not depend on the frequency of the applied bias, however the spin chemical potential, as well as the non-locally measured spin-accumulation voltage depend on the frequency. This dependence allows one to extract experimentally the spin relaxation time in a superconductor from measurements in the frequency domain.
研究动机与目标
- 将超导体-铁磁体或超导体-正常金属结在直流和交流电压偏置下的自旋积累形式化理论扩展。
- 研究在存在Zeeman场的情况下，时间变化电压激励下自旋积累的动力学演化。
- 确定频率依赖性测量是否能够提供获取超导自旋弛豫时间的途径。
- 推导正弦和矩形交流脉冲下自旋积累的一般解析表达式。
提出的方法
- 将Quay等人（Nature Physics 9, 2013）的形式化方法进行适应和扩展，以包含时变电压偏置。
- 应用线性响应理论和Keldysh非平衡格林函数技术，对超导结中的自旋积累进行建模。
- 计算正弦和矩形交流电压脉冲下的时间依赖自旋积累。
- 推导出自旋化学势和非局域测量的自旋积累电压作为频率函数的表达式。
- 利用自旋响应的频率依赖性，实验提取自旋弛豫时间。
- 分析时间平均自旋积累与频率依赖自旋势之间的区别。
实验结果
研究问题
- RQ1在Zeeman场作用下，时间依赖自旋积累如何响应超导体中的交流电压偏置？
- RQ2施加的交流偏置频率是否会影响系统中的时间平均自旋积累？
- RQ3自旋化学势的频率依赖性是否可用于提取超导体中的自旋弛豫时间？
- RQ4正弦和矩形交流脉冲如何不同地影响自旋积累动力学？
- RQ5非局域测量的自旋积累电压与驱动频率之间存在何种关系？
主要发现
- 时间平均自旋积累与施加的交流偏置频率无关。
- 自旋化学势表现出强烈的频率依赖性，而这种依赖性在时间平均自旋积累中不存在。
- 非局域测量的自旋积累电压也依赖于施加的交流信号的频率。
- 这种频率依赖性为实验提取超导自旋弛豫时间提供了直接途径。
- 结果对正弦和矩形交流电压脉冲均成立，表明时域响应具有鲁棒性。
- 该形式化方法能够对非平衡介观超导器件中的自旋积累动力学进行定量预测。
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