[论文解读] Releasing half-quantum vortices via the coupling of spin polarization, charge- and spin-current

Hae‐Young Kee, Manfred Sigrist|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2013

Quantum and electron transport phenomena被引用 3

一句话总结

本文提出，通过自旋极化、电荷电流与自旋电流之间的耦合，手性p波超导体Sr2RuO4中的半量子涡旋（HQVs）可在介观环中稳定存在，从而实现半整数通量量子（n+1/2）Φ₀。当自旋极化由面内磁场诱导时，d-扭结拓扑缺陷的能量降低，解释了实验中观测到的半高磁化台阶现象。

ABSTRACT

Motivated by recent experiments observing half-integer flux quanta in mesoscopic loops of superconducting Sr2RuO4, a theory is developed based on a "d-soliton", a topological defect of spin-triplet superconductors involving a change of the spin configuration. A phenomenological Ginzburg-Landau free energy is given which allows to describe such a soliton yielding a half-integer flux quantum inside a loop, assuming a chiral p-wave superconducting phase. The d-soliton couples to spin polarization perpendicular to the loop axis, which allows to reduce the energy of the d-soliton, fitting well to the experimental findings. The origin of this coupling lies in the combination of spin and charge current within the d-soliton generating a spin polarization analogous to a spin Hall effect. The effect of Fermi liquid corrections is discussed, in particular, in view of the spatial extension of the d-soliton and the energetics in comparison with a standard integer flux state.

研究动机与目标

• 解释介观Sr2RuO4环中观测到的半整数通量量子现象。
• 阐明面内磁场在稳定半量子涡旋（HQVs）中的作用。
• 构建一个包含自旋极化、电荷电流与自旋电流耦合的唯象Ginzburg-Landau自由能模型。
• 阐明在自旋极化存在下d-扭结缺陷的能量稳定机制。
• 探讨费米液体修正对HQV稳定性及空间范围的影响。

提出的方法

• 构建一个唯象Ginzburg-Landau自由能模型，包含d-矢量刚性、d-矢量倾斜能以及电荷电流、自旋电流与自旋极化之间耦合的项。
• 耦合项涉及d-矢量梯度与自旋电流的矢量积，产生类似于自旋霍尔效应的等效自旋极化。
• 模型假设自旋极化在空间上均匀，并分析HQV态与整数通量涡旋（IVQ）态之间的能量差异。
• 计算HQV与IVQ能量随通量的变化，以确定Φ₀/2附近的稳定性窗口。
• 将d-扭结建模为连接两个半通量量子的相位滑移缺陷，其拓扑结构在体材料中类似于平面缺陷，在环中则类似于涡旋。
• 分析几何收缩在无外部面内磁场时稳定d-扭结的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 面内磁场如何稳定Sr2RuO4中的半量子涡旋态？
• RQ2 介观环中观测到的半整数通量量子的起源是什么？
• RQ3 电荷电流、自旋电流与自旋极化之间的耦合如何降低d-扭结的能量？
• RQ4 d-扭结作为拓扑缺陷在实现半量子通量量子化中起什么作用？
• RQ5 在无面内磁场的情况下，能否通过几何约束稳定HQV态？

主要发现

• 当面内磁场诱导自旋极化时，d-扭结态在能量上变得有利，从而在Φ₀/2附近形成HQV的稳定性窗口。
• 电荷电流与自旋电流的耦合产生有效自旋极化，降低d-扭结的自由能，解释了实验中观测到的半高磁化台阶现象。
• 在无自旋极化时，HQV态的能量高于整数通量涡旋态，因此无法稳定存在。
• d-扭结可被视为连接两个半通量量子的相位滑移缺陷，其中一个半通量量子线位于环内，另一个位于环外。
• 环中的几何收缩可稳定d-扭结，甚至可能在无面内磁场时实现HQV的形成。
• 费米液体修正预计会改变d-矢量的刚性，从而影响d-扭结相对于标准涡旋态的空间范围与能量特性。