[论文解读] Spin-polarized Andreev tunneling through the Rashba chain

Maciej M. Maśka, T. Domański|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 24被引用 18

一句话总结

本文提出，通过选择性等自旋安德烈夫反射（SESAR）光谱学的自旋极化安德烈夫隧道效应，可在超导基底上的拉什巴链中区分零能马约拉纳准粒子与普通亚能隙态。基于包含拉什巴自旋轨道耦合、塞曼分裂和近邻诱导配对的微观模型，作者证明了反常的推迟格林函数在零能下表现出非零的非对角分量，从而产生可检测的自旋极化亚能隙电导——为基于扫描隧道显微镜（STM）探测拓扑超导性和马约拉纳模式提供了一种实用方法。

ABSTRACT

We demonstrate that the selective equal spin Andreev reflection (SESAR) spectroscopy can be used in STM experiments to distinguish the zero-energy Majorana quasiparticles from the ordinary fermionic states of the Rashba chain. Such technique, designed for probing the p-wave superconductivity, could be applied to the intersite pairing of equal-spin electrons in the chain of magnetic Fe atoms deposited on the superconducting Pb substrate. Our calculations of the effective pairing amplitude for individual spin components imply the magnetically polarized Andreev conductance, which can be used to `filter' the Majorana quasiparticles from the ordinary in-gap states, although the pure spin current (i.e., perfect polarization) is impossible.

研究动机与目标

• 建立一种实验方法，以区分一维拉什巴链中拓扑马约拉纳准粒子与平凡的亚能隙态。
• 证明自旋极化的安德烈夫隧道效应，特别是SESAR，能够探测马约拉纳模的本征磁性极化。
• 为铁链在铅基底上的STM实验中观察到的自旋极化现象提供微观解释。
• 表明等自旋电子之间的近邻诱导p波配对导致零能下非零的自旋极化安德烈夫电导。
• 验证使用磁性极化的STM探针探测真实材料中拓扑超导性的可行性。

提出的方法

• 为磁性铁链在s波超导体上的低能哈密顿量建模，包含局域配对、拉什巴自旋轨道耦合和塞曼分裂。
• 通过自能方法模拟近邻效应，推导出自旋向上和自旋向下的有效配对幅度。
• 使用Keldysh形式化计算推迟格林函数和小于格林函数，以描述电子通过STM探针的输运行为。
• 利用反常推迟格林函数分量⟨⟨d↑d↓⟩⟩^r推导亚能隙安德烈夫电流，该分量控制等自旋安德烈夫反射。
• 计算自旋分辨的隧穿电流I↑(V)和I↓(V)，通过自旋向上与自旋向下的电导比值量化极化程度。
• 通过谱函数和电导的数值计算，表明在链边缘附近零能处存在非零极化。

实验结果

研究问题

• RQ1 SESAR光谱学能否检测到拉什巴链末端形成的马约拉纳准粒子中的自旋极化？
• RQ2 在铅基底上铁链的STM实验中，零偏压电导峰所观察到的自旋极化源于何处？
• RQ3 拉什巴自旋轨道耦合、塞曼分裂与近邻诱导配对之间的相互作用如何产生自旋极化的安德烈夫过程？
• RQ4 亚能隙电导在多大程度上能够将马约拉纳模与普通希巴亚能隙态区分开？
• RQ5 安德烈夫电流的自旋极化是否与p波通道中的非对角配对幅度有定量关联？

主要发现

• 反常推迟格林函数分量⟨⟨d↑d↓⟩⟩^r在链边缘附近零能下保持有限，表明存在拓扑马约拉纳模。
• 由于自旋向上与自旋向下的电子配对幅度不等，亚能隙安德烈夫电流表现出自旋极化，导致不同自旋通道间电导存在可测量差异。
• 计算得到的安德烈夫电流自旋极化为有限值，但无法达到完美的（100%）极化，这是由于与平凡亚能隙态的残余耦合所致。
• 该模型再现了铁链在铅基底上STM测量中实验观察到的自旋极化，证实了亚位点p波配对在生成自旋选择性安德烈夫反射中的作用。
• 自旋极化电导主要源于由拉什巴和塞曼相互作用驱动的p波配对通道，而非局域s波配对。
• 该方法可通过自旋滤波隧穿选择性探测马约拉纳准粒子，为在真实体系中验证拓扑超导性提供实用途径。