[论文解读] Spontaneous symmetry breaking induced thermospin effect in superconducting tunnel junctions

Gaia Germanese, Federico Paolucci+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 68被引用 7

一句话总结

本文提出了一种在超导隧道结中出现的新型热自旋效应，其中通过铁磁绝缘体诱导的自旋分裂导致的自发粒子-空穴对称性破缺，在大温度梯度下产生自旋极化的热电电流。与传统自旋阀不同，该效应源于本征机制，无需极化势垒，当热活性组分占主导时，净自旋电流可超过电荷电流，从而在非线性 regime 实现最大自旋电流效率和热电功率生成。

ABSTRACT

We discuss the charge and the spin tunneling currents between two Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) superconductors, where one density of states is spin-split by the proximity of a ferromagnetic insulator. In the presence of a large temperature bias across the junction, we predict the generation of a spin-polarized thermoelectric current. This thermospin effect is the result of a spontaneous particle-hole symmetry breaking in the absence of any polarizing tunnel barrier. The two spin components, which move in opposite directions, generate a spin current larger than the purely polarized case when the thermoactive component dominates over the dissipative one.

研究动机与目标

• 研究在大温度梯度下，混合铁磁绝缘体/超导结中的热电与自旋输运行为。
• 识别自发粒子-空穴对称性破缺在实现自旋极化热电电流中的作用。
• 证明由于反向传播的自旋分量存在，自旋电流的效率可超过电荷电流。
• 分析非线性热电效应与超导结中自旋分裂之间的相互作用。

提出的方法

• 建立常规BCS超导体（S）与通过邻近铁磁绝缘体（FI）诱导的自旋分裂超导体（Sm）之间的隧道结模型。
• 使用自旋-σ分量的归一化态密度（DoS），引入交换场 hα，并结合Dynes参数Γ以描述亚能隙态。
• 通过BCS准粒子输运理论计算电荷电流 Iq = I↑ + I↓ 和自旋电流 Is = I↑ - I↓，采用费米-狄拉克分布。
• 施加大温度梯度（TS > TSm）以进入非线性 regime，此时无需外部极化即可显现热电效应。
• 分析线性区的电导 G0 与非线性区的最大电导 Gmax，以识别负微分电导现象及热电功率生成。
• 改变交换场 hexc 和 Dynes 参数 Γ，评估该效应在结质量与非普遍效应下的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在无外部极化势垒的超导隧道结中产生自旋极化的热电电流？
• RQ2 由于自旋分裂引起的自发粒子-空穴对称性破缺，如何使净自旋电流超过电荷电流？
• RQ3 非线性区（大温度梯度）在实现自旋分裂超导结中热电效应方面起到何种作用？
• RQ4 结的电导行为（G0 与 Gmax）如何反映耗散区与热电区之间的转变？
• RQ5 该热自旋效应在多大程度上对结的非理想性（由Dynes参数Γ建模）具有鲁棒性？

主要发现

• 在无任何外部极化势垒的情况下，通过自发粒子-空穴对称性破缺生成了自旋极化的热电电流。
• 当热活性组分占主导时，自旋电流 |Is| 超过电荷电流 |Iq|，实现最大自旋电流效率。
• 在线性区出现负微分电导（G0 < 0），表明具有本征热电行为。
• 在非线性区，最大电导 Gmax < 0 出现在匹配峰位置，证实了热电功率生成。
• 该效应对Dynes参数Γ的变化具有鲁棒性，在两个数量级范围内变化时，仅引起峰值电流值的适度变化。
• 当 GL < |Gmax| 时，系统可作为热电发电机运行，实现稳定的热电功率输出。