[论文解读] Superconductivity and Ferromagnetism in Oxide Interface Structures: Possibility of Finite Momentum Pairing

Karen Michaeli, Andrew C. Potter+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2011

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用 6

一句话总结

该论文提出，通过强自旋轨道耦合稳定的螺旋形 Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov（FFLO）态，使超导性与铁磁性在LAO/STO氧化物界面共存，其中库珀对在有限动量下形成。尽管存在强无序，FFLO态仍保持鲁棒性，临界场在强无序区域之前接近无序极限，最终衰减至泡利极限。

ABSTRACT

We introduce a model to explain the observed ferromagnetism and superconductivity in LAO/STO oxide interface structures. Due to the polar catastrophe mechanism, 1/2 charge per unit cell is transferred to the interface layer. We argue that this charge localizes and orders ferromagnetically via exchange with the conduction electrons. Ordinarily this ferromagnetism would destroy superconductivity, but due to strong spin-orbit coupling near the interface, the magnetism and superconductivity can coexist by forming an FFLO-type condensate of Cooper pairs at finite momentum, which is surprisingly robust in the presence of strong disorder.

研究动机与目标

• 解释LAO/STO氧化物界面中超导性与铁磁性共存的原因，这与传统的BCS理论相矛盾。
• 阐明界面铁磁性的起源，提出其源于局域电子通过与导带电子交换而有序化。
• 为由强自旋轨道耦合和无序稳定的有限动量库珀对（螺旋形FFLO态）提供一个理论框架。
• 阐明为何超导性在强无序下仍能持续存在，与预期无序会破坏FFLO态的观点相反。
• 将实验观测到的高自旋分裂（10 meV）和非线性霍尔响应与包含dxy、dxz和dyz轨道的多带模型相协调。

提出的方法

• 使用双组分电子系统建模界面：局域的dxy电子形成局域磁矩，而相邻钛层上的dxy、dxz、dyz带中的移动电子构成导电通道。
• 引入Rashba自旋轨道耦合项 $ H_R = \frac{\beta}{\tau} \boldsymbol{\nu} \times \boldsymbol{k} \boldsymbol{\nu} $，其中 $ \beta $ 随栅压增加，导致自旋分裂 $ \triangle_{so} = 2\beta k_F $。
• 采用双带模型，通过不同的有效质量和自旋轨道耦合来描述各向异性输运和非线性霍尔响应。
• 应用自洽Born近似计算无序存在下的扩散子传播幅和间隙方程。
• 利用包含顶点修正的完整间隙方程，推导出FFLO配对的临界场 $ B_c $ 作为无序强度 $ \tau^{-1} $、自旋轨道耦合 $ \triangle_{so} $ 和配对动量 $ q $ 的函数。
• 分析三种区域：弱、中等和强无序，表明由于扩散性自旋和动量动力学，FFLO态在中等无序区域得以稳定。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LAO/STO界面中，为何超导性能与铁磁性共存，而铁磁性通常会抑制s波超导性？
• RQ2 观测到的较大铁磁矩（每晶胞约0.3–0.4 $ \beta_B $）的起源是什么，它如何从界面电子结构中产生？
• RQ3 为何超导临界场 $ B_c $ 随无序增加而增大，与无序会破坏FFLO态的预期相反？
• RQ4 自旋轨道耦合与无序之间的相互作用如何稳定有限动量（螺旋形FFLO）超导态？
• RQ5 多个d轨道（dxy、dxz、dyz）在解释非线性霍尔效应以及自旋分裂随载流子浓度演化中的作用是什么？

主要发现

• 螺旋形FFLO态（配对动量为单一 $ \boldsymbol{q} $）由强自旋轨道耦合稳定，并在中等无序下依然存在。
• 在中等无序区域（$ \tau^{-1} \sim \Delta_{so} $），FFLO配对的临界场 $ B_c $ 接近无序极限值，表明由于扩散性自旋和动量动力学，FFLO态得以恢复。
• 在强无序区域（$ \tau^{-1} \gg \Delta_{so} $），自旋进动因运动变窄（$ \tilde{\tau}_{so}^{-1} \approx \Delta_{so}^2 \tau $）而与动量解耦，FFLO态消失，$ B_c $ 衰减至泡利极限。
• 在 $ q = 0 $ 和 $ q = \pm 2\mu_0 B / \alpha $ 处的配对临界场处于同一数量级：$ B_c \approx \Delta_0 (\Delta_0 \tilde{\tau}_{so})^{-1/2} $，表明不同配对态之间存在竞争。
• 该模型解释了在超导穹顶峰值处观测到的10 meV自旋分裂，其与载流子浓度增加及由于dxz/dyz带混杂导致Rashba耦合增强相关。
• 通过引入具有不同有效质量和自旋轨道耦合的两个独立电子带，该模型解释了非线性霍尔效应以及随载流子浓度增加而降低的散射率。