[论文解读] Superconductivity Induced Ferromagnetism In The Presence of Spin-Orbit Coupling

Yao Lu, I. V. Tokatly+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2023

Iron-based superconductors research被引用 5

一句话总结

该论文表明，在自旋-轨道耦合的薄膜中，超导性可通过超流体媒介的相互作用，在磁性杂质之间诱导出长程铁磁耦合。电磁场与自旋-轨道耦合共同产生类似偶极子的相互作用，可在特定晶格中支持铁磁序，挑战了传统上认为超导性与铁磁性不相容的观点。

ABSTRACT

We investigate the behavior of magnetic impurities placed on the surface of superconductor thin films with spin-orbit coupling. Our study reveals long-range interactions between the impurities, which decay according to a power law, mediated by the supercurrents. Importantly, these interactions possess a ferromagnetic component when considering the influence of the electromagnetic field, leading to the parallel alignment of the magnetic moments in the case of two impurities. In a Bravais lattice of magnetic impurities, superconductivity facilitates the establishment of ferromagnetic order within specific parameter ranges. These findings challenge the conventional understanding that ferromagnetism and superconductivity are mutually exclusive phenomena. Our theoretical framework provides a plausible explanation for the recently observed remanent flux in iron-based superconductors, particularly Fe(Se,Te).

研究动机与目标

• 研究自旋-轨道耦合的超导薄膜上磁性杂质之间的磁相互作用。
• 确定电磁场与自旋-热电效应如何改变超流体媒介相互作用的性质。
• 探索由于超导性诱导的耦合，磁性杂质晶格中出现铁磁序的机制。
• 为近期在铁基超导体（如 Fe(Se,Te)）中观测到的剩余磁通和铁磁特征提供理论解释。

提出的方法

• 对具有磁性杂质的二维 Rashba 系统中超导近邻效应的理论分析。
• 推导 Keldysh 位势以描述诱导的磁相互作用，该相互作用在二维与三维偶极-偶极相互作用之间插值。
• 采用 London-Pearl 屏蔽理论来模拟电磁场响应及其对电流分布的影响。
• 计算磁相互作用张量 $ F_I^{ij} $，并将其分解为相对于杂质间矢量的平行与垂直分量。
• 自洽求解超导能隙 $ ilde{ abla} $、超流体权重 $ D $ 和 Pearl 长度 $ r_0 $ 随温度的变化关系。
• 在有限温度下对不同 Bravais 晶格（三角形与正方形）的相图进行数值求解。

Figure 1: Schematic picture of magnetic impurities on top of a superconductor thin film with spin-orbit coupling. The red arrows represent the magnetization of the impurities. The green arrows are the exchange field-induced localized anomalous currents. The black loop represents the total current in

实验结果

研究问题

• RQ1 在自旋-轨道耦合系统中，超导性是否能诱导磁性杂质之间的长程铁磁耦合？
• RQ2 电磁场如何改变超流体媒介磁相互作用的空间依赖性和对称性？
• RQ3 自旋-轨道耦合在产生介导磁序的异常电流中起什么作用？
• RQ4 在二维磁性杂质晶格中，何种参数区域会形成铁磁基态？
• RQ5 Fe(Se,Te) 中观测到的铁磁特征是否可由超导表面态中的超流体媒介相互作用解释？

主要发现

• 超流体媒介磁相互作用具有类似偶极子的形式，介于二维与三维偶极-偶极相互作用之间，远距离时按 $ 1/r^3 $ 衰减。
• 由于自旋-轨道耦合与电磁屏蔽的协同作用，该相互作用包含净铁磁分量，使三角晶格中可支持铁磁基态。
• 在零温下，三角晶格因净铁磁耦合 $ (J_{\text{parallel}} - J_{\text{perp}})/2 $ 支持铁磁基态，而正方形晶格则倾向于反铁磁态。
• 在 $ T=0 $ 时，对于 Fe(Se,Te) 中的合理参数，相互作用强度估计约为 2 meV，与超导能隙相当，表明其对热涨落具有鲁棒性。
• 有限温度分析显示，随着温度升高，磁相互作用被抑制，且预测在较高温度下发生从铁磁到反铁磁序的转变。
• 该模型解释了 Fe(Se,Te) 中观测到的磁滞磁化和表面局域铁磁性，这些现象在超导临界温度以上消失，支持其源于超流体媒介相互作用的机制。

Figure 2: a) Superconductivity-induced magnetic interaction as a function of Pearl length. The red and blue colors denote $J_{\parallel}$ and $J_{\perp}$ , respectively. The circles are the exact results calculated from Eq. ( 9 ) and the lines are the approximate values obtained from Eq. ( 10 ). b)