[论文解读] Signature of Anomalous Andreev bound states in magnetic Josephson junction of noncentrosymmetric superconductor on a topological insulator

Saumen Acharjee, Umananda Dev Goswami|arXiv (Cornell University)|May 3, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 105被引用 8

一句话总结

本研究探讨了在拓扑绝缘体（TI）表面的非中心对称超导体（NCSC）结中，结合半金属势垒的约瑟夫森结。利用Bogoliubov-de Gennes形式化方法，研究表明在特定磁场和配对条件下，会出现异常Andreev束缚态（ABS）和手性Majorana模式，当磁矩平行时观测到4π周期的超电流，而反平行错位时则为2π周期的ABS。临界电流在单重态或三重态主导的NCSC中最大，在单重态-三重态混合相等时最小。

ABSTRACT

We study the Josephson effect in a clean noncentrosymmetric superconductor/half-metal/noncentrosymmetric superconductor junction, which is grown on the surface of a three-dimensional Topological Insulator (TI) in the ballistic limit. We find the signature of anomalous Andreev Bound States (ABS) and band splitting for a spin-active barrier whose barrier magnetic moment is misaligned with the bulk moment. The chiral Majorana mode and 4$\pi$ periodic ABS are found to exist on the surface of TI for parallel orientation of the moments in the normal incidence condition. But for anti-parallel misalignment, we observe the 2$\pi$ periodic ABS. There exist a gap in ABS for oblique incidence. We find the splitting of Andreev levels in the presence of RSOC and also for unequal mixing of singlet-triplet correlations present in NCSC. The Majorana mode, ABS and Josephson supercurrent can be controlled by the ratio of barrier magnetic and non-magnetic moments. The critical current is found to be maximum for singlet or triplet dominated NCSC, while it is minimum in the equal mixing condition. The ABS is found to be barrier thickness dependent and is suppressed for an opaque barrier. We observe a monotonic decay in critical current with a finite length of the junction for all the singlet-triplet mixings and magnetic moments. The current-phase relation is found to be sinusoidal with no phase shift in the half-metallic limit, however, for different orientations of the bulk moment, an anomalous characteristic is also observed.

研究动机与目标

• 研究非中心对称超导体在拓扑绝缘体表面的Rashba自旋轨道耦合（RSOC）、单重态-三重态配对混合与磁质垒特性之间的相互作用。
• 理解在TI表面磁性约瑟夫森结中异常Andreev束缚态（ABS）与手性Majorana模式的产生机制。
• 探讨磁质与非磁质质垒的比值如何调控约瑟夫森超电流与ABS特性。
• 确定临界电流与电流-相位关系对结几何结构、配对对称性与磁性取向的依赖关系。

提出的方法

• 使用Bogoliubov-de Gennes（BdG）形式化方法，模拟三维TI表面清洁、弹性的NCSC/半金属/NCSC结中的准粒子谱与超电流。
• 引入Rashba自旋轨道耦合（RSOC）与界面处的自旋依赖散射，以模拟自旋活性势垒。
• 在法向入射与斜入射条件下分析系统，以评估ABS能谱与电流-相位关系。
• 通过数值与解析方法计算约瑟夫森超电流，明确处理NCSC中单重态-三重态配对混合。
• 改变磁矩取向（平行与反平行）与势垒厚度，以探测拓扑相变。
• 评估临界电流与电流-相位关系（CPR）作为配对对称性混合、磁矩比值与结长度的函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁矩取向（平行与反平行）如何影响约瑟夫森电流的周期性与异常Andreev束缚态（ABS）的存在？
• RQ2 Rashba自旋轨道耦合（RSOC）与单重态-三重态配对混合在能级分裂与手性Majorana模式产生中的作用是什么？
• RQ3 势垒磁质与非磁质的比值如何控制临界电流与4π周期超电流的出现？
• RQ4 临界电流对结长度与配对对称性混合（单重态-三重态混合）的依赖关系如何？
• RQ5 在不同磁性与配对构型下，电流-相位关系如何偏离正弦行为？

主要发现

• 在法向入射极限下，磁矩平行排列时出现4π周期的约瑟夫森超电流与手性Majorana模式，表明存在拓扑超导性。
• 在反平行错位时，ABS变为2π周期，表明相变为平凡相。
• 由于Rashba自旋轨道耦合与不等的单重态-三重态配对混合，Andreev束缚态表现出能带分裂。
• 临界电流在单重态或三重态主导的NCSC中最大，在单重态-三重态混合相等时最小，且随结长度增加单调衰减。
• 在半金属极限下，电流-相位关系为正弦形且无相移，但非共线磁矩构型下出现异常特性。
• 在不透明势垒中，ABS被抑制，且对势垒厚度表现出强依赖性，表明可通过势垒工程实现调控。