[论文解读] Spin-orbit coupling suppression and singlet-state blocking of spin-triplet Cooper pairs

Sachio Komori, James Devine-Stoneman+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2020

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 2

一句话总结

本研究探究了铌（Nb）中自旋三重态库珀对的动力学行为，Nb是一种具有强自旋轨道耦合（SOC）的s波超导体。研究发现，在正常态下，由于SOC引起的自旋散射，三重态超电流在约5 nm内衰减；在超导态下，由于单重态能隙态的缺失，三重态超电流被完全阻断。其主要贡献在于识别出SOC抑制与单重态态阻断是限制s波超导体中三重态相干性的主导机制。

ABSTRACT

An inhomogeneous magnetic exchange field at a superconductor/ferromagnet interface converts spin-singlet Cooper pairs to a spin-aligned (i.e. spin-polarized) triplet state. Although the decay envelope of such triplet pairs within ferromagnetic materials is well studied, little is known about their decay in non-magnetic metals and superconductors, and in particular in the presence of spin-orbit coupling (SOC). Here we investigate devices in which triplet supercurrents are injected into the s-wave superconductor Nb. In the normal state of Nb, triplet supercurrents decay over a distance of 5 nm, which is an order of magnitude smaller than the decay of spin singlet pairs due to the SOC interacting with the spin associated with triplet pairs. In the superconducting state of Nb, triplet supercurrents are not able to couple with the singlet wavefunction and thus blocked by the absence of available equilibrium states in the singlet gap. The results offer new insight into the dynamics between s-wave singlet and s-wave triplet states.

研究动机与目标

• 理解非磁性及超导材料中自旋三重态库珀对的衰减动力学，特别是在存在自旋轨道耦合（SOC）的条件下。
• 研究s波单重态与自旋三重态库珀对态在超导Nb中的相互作用。
• 确定Nb中的超导能隙是否通过阻断三重态配对的可用平衡态来抑制三重态超电流。
• 通过实验与理论方法表征在不同条件（正常态与超导态）下Nb中三重态对的相干长度。
• 阐明SOC与单重态-三重态态竞争在限制s波超导体中三重态超电流传播中的作用。

提出的方法

• 制备了四端口S/FL/S’/FR/S结构的器件，以Nb作为中心S’层，用于注入三重态超电流。
• 使用Cr/Fe/Cr三明治结构作为自旋混合界面，通过磁性非均匀性将单重态转换为三重态对。
• 测量Nb在正常态与超导态下的电流-电压特性，以提取三重态相干长度。
• 应用完全自旋极化的铁磁隧道结模型来描述结中的约瑟夫森电流。
• 在频率表象中求解戈尔科夫方程，推导出异常格林函数与约瑟夫森电流密度的精确形式。
• 对格林函数进行至七阶的微扰展开，以提取电流的温度与能隙依赖关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Nb的正常态中，自旋三重态库珀对的相干长度是多少？其受自旋轨道耦合（SOC）的影响如何？
• RQ2 Nb中的超导能隙如何抑制三重态超电流？其潜在机制是什么？
• RQ3 由于缺乏可用的平衡态，单重态超导能隙在多大程度上阻断了三重态对的传播？
• RQ4 SOC与超导能隙之间的相互作用如何影响s波超导体中三重态与单重态超电流的相对衰减？
• RQ5 在注入三重态对的约瑟夫森结中，是否能通过同时包含SOC与单重态-三重态竞争的理论，定量描述约瑟夫森电流？

主要发现

• 在Nb的正常态中，自旋三重态超电流的相干长度约为5 nm，由于SOC引起的自旋散射，其衰减长度比自旋单重态对短一个数量级。
• 在Nb的超导态中，三重态超电流被完全阻断，因为单重态超导能隙不支持自旋投影相等的态，从而无法与三重态波函数耦合。
• 基于戈尔科夫方程的理论建模表明，单重态超导序参量（Δ₀）抑制了异常格林函数的三重态分量，导致约瑟夫森电流的衰减。
• 结中的约瑟夫森电流密度与sinφ成正比，临界电流随|Δ₀|²的增大而减小，证实了单重态配对的抑制作用。
• 在低温下，临界电流表现出非单调的温度依赖性，这是由于三重态与单重态分量之间的相互作用所致，当|Δ₀|² > T²时，抑制效应变得显著。
• 该模型预测，在对称结中，约瑟夫森电流与(t/Tc₀)⁸(h/Tc₀)²(|Δ₁|/Tc₀)⁻⁶(Tc₀/T)²成正比，凸显了单重态能隙对三重态电流的强烈抑制。