[论文解读] Gapless superconducting state and mirage gap in altermagnets

Miaomiao Wei, Longjun Xiang+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 4

一句话总结

该论文表明，通过调节各向异性自旋分裂（ASS），在s波超导体邻近的反铁磁体（AMs）中可实现无能隙的超导态，其具有类似d波的分段费米面和有限能量的幻影能隙，而无需依赖面内磁场或Rashba自旋轨道耦合。当引入Rashba自旋轨道耦合时，系统从d波相转变为s波超导态，且幻影能隙呈现C₄对称性的各向异性，可通过量化Andreev反射探测到。

ABSTRACT

The interplay between spin-orbit interaction (SOI) and magnetism produces interesting phenomena in superconductors. When a two-dimensional (2D) system with strong SOI is coupled to an $s$-wave superconductor, an in-plane magnetic field can drive the system into a gapless superconducting state and induce a mirage gap at finite energies for an Ising superconductor. In this work, we demonstrate that when an $s$-wave superconductor is proximitized to an altermagnet, the intrinsic anisotropic spin splitting of the altermagnet can result in a gapless superconducting state and a pair of mirage gaps at finite energy. The gapless superconductivity exhibits spin-polarized segmented Fermi surfaces, with coexisting spin-singlet and spin-triplet pairings that have a $d$-wave character. Importantly, the gapless superconducting and mirage gap features are quantified through quantum transport. Our results suggest that altermagnet is an ideal platform for studying gapless superconducting states and mirage gap physics.

研究动机与目标

• 探索在不依赖面内磁场或Rashba自旋轨道耦合的条件下，反铁磁体中无能隙超导态和幻影能隙的产生机制。
• 研究反铁磁体中各向异性自旋分裂（ASS）如何诱导邻近s波超导体中类似d波的配对及有限能量配对特征。
• 考察Rashba自旋轨道耦合在调控主能隙结构和幻影能隙各向异性的角色。
• 建立Andreev反射作为探测反铁磁体-超导体异质结构中幻影能隙和主能隙结构的定量手段。
• 识别反铁磁体作为实现和调控具有可调拓扑特性和配对特性的非传统超导态的稳健平台。

提出的方法

• 本研究采用基于能带结构低能展开的2D有效哈密顿量，描述具有各向异性自旋分裂（t_J）和Rashba自旋轨道耦合（λ）的反铁磁体。
• 系统建模为通过近邻效应耦合s波超导体的异质结构，使用完整的Bogoliubov-de Gennes哈密顿量描述超导配对。
• 计算Andreev反射系数T^A(θ)作为费米能和角度θ的函数，以探测主能隙和幻影能隙的存在及其对称性。
• 通过哈密顿量的数值对角化计算能带结构和态密度，揭示在t_J和λ变化下能隙的演化行为。
• 利用T^A的角依赖性识别超导态的d波或s波特征，并探测有限能量处幻影能隙的存在。
• 分析包括传输通道的识别及其对化学势、t_J、λ和费米能的依赖关系，将输运量化与能隙结构相联系。

Figure 1: (a). Energy for different $t_{J}$ . Expressions of $E_{\pm\pm}$ are given in text main text. Here we only show the energy band in the region $k_{x}=(-\pi,0)$ while fixing $k_{y}=0$ . Red and blue curves denote spin up and down, respectively. Note that the band structure is symmetric when $

实验结果

研究问题

• RQ1 在无面内磁场或Rashba自旋轨道耦合的条件下，反铁磁体-超导体异质结构中能否出现具有类似d波分段费米面的无能隙超导态？
• RQ2 反铁磁体中的各向异性自旋分裂（ASS）如何在邻近的s波超导体中诱导出有限能量的配对（即幻影能隙）？
• RQ3 Rashba自旋轨道耦合在调控主超导能隙和幻影能隙的对称性与结构方面起什么作用？
• RQ4 幻影能隙能否通过量化Andreev反射实验探测到？其角依赖性如何反映潜在的配对对称性？
• RQ5 随着化学势、t_J和λ的调节，Andreev传输通道的数量如何演化？这揭示了哪些关于能隙结构的信息？

主要发现

• 在无Rashba SOI时，通过调节反铁磁体-超导体异质结构中的各向异性自旋分裂（t_J），可诱导出具有d波特征的无能隙超导态，表现为分段费米面和有限能量配对。
• 由于存在singlet和triplet配对共存，有限能量处出现幻影能隙，可通过非零整数Andreev反射系数T^A探测，且T^A的角依赖性表现出d波对称性。
• 当引入Rashba SOI后，系统在临界SOI强度下从d波相转变为s波超导态，且幻影能隙获得C₄对称性，呈现各向异性。
• 当T^A表现出d波特征时，Andreev传输通道的最大数量可达三个；该数量随费米能相对于主能隙和幻影能隙的位置变化，减少至两个或一个。
• 第一道幻影能隙的宽度随t_J增大而增加，系统表现出多个重叠的主能隙和幻影能隙，且最窄的主能隙宽度随t_J增大而减小。
• 当λ ≠ 0时，准粒子传输系数在E_F → -E_F下失去对称性，因为E_F = 0附近传输通道数量发生变化，表明在SOI存在下粒子-空穴对称性被破坏。

Figure 2: (a) and (b): angular dependence of $T^{A}$ at different $t_{J}=0.3,0.37,0.5,1$ for $E_{F}=0,2\Delta$ , respectively. (c) and (d): Andreev reflection $T^{A}$ versus $E_{F}$ for different $\theta$ and $t_{J}$ , respectively. We set $t_{J}=1.0$ in Fig. 2 c, $\theta=0$ in Fig. 2 d and $\lambda