[论文解读] Theoretical aspects of Andreev spectroscopy and tunneling spectroscopy in non-centrosymmetric superconductors: a topical review

Matthias Eschrig, Christian Iniotakis+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2010

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 2被引用 161

一句话总结

本文提出了一套理论框架，用于理解非中心对称超导体中的Andreev谱和隧道谱，重点研究自旋极化束缚态及其拓扑性质。结果表明，三重态主导配对会诱导出携带自旋超流的螺旋形边缘模式，而简并的单重态-三重态成分则会引发量子相变，零偏压电导峰作为非平凡配对对称性和自旋-轨道耦合效应的特征信号。

ABSTRACT

Tunneling spectroscopy at surfaces of unconventional superconductors has proven an invaluable tool for obtaining information about the pairing symmetry. It is known that mid gap Andreev bound states manifest itself as a zero bias conductance peak in tunneling spectroscopy. The zero bias conductance peak is a signature for a non-trivial pair potential that exhibits different signs on different regions of the Fermi surface. Here, we review recent theoretical results on the spectrum of Andreev bound states near interfaces and surfaces in non-centrosymmetric superconductors. We introduce a theoretical scheme to calculate the energy spectrum of a non-centrosymmetric superconductor. Then, we discuss the interplay between the spin orbit vector field on the Fermi surface and the order parameter symmetry. The Andreev states carry a spin supercurrent and represent a helical edge mode along the interface. We study the topological nature of the resulting edge currents. If the triplet component of the order parameter dominates, then the helical edge mode exists. If, on the other hand, the singlet component dominates, the helical edge mode is absent. A quantum phase transition occurs for equal spin singlet and triplet order parameter components. We discuss the tunneling conductance and the Andreev point contact conductance between a normal metal and a non-centrosymmetric superconductor.

研究动机与目标

• 使用准经典Nambu-Gor'kov格林函数，发展一种理论框架，用于分析非中心对称超导体中的Andreev谱。
• 研究费米面上自旋-轨道耦合与超导序参量对称性之间的相互作用。
• 确定在界面处出现拓扑保护的螺旋形边缘模式（携带自旋超流）的条件。
• 分析隧道电导率和点接触谱，特别是零偏压电导峰作为非平凡配对的特征信号。
• 识别当单重态与三重态成分平衡时，拓扑不同的超导态之间的量子相变。

提出的方法

• 采用包含Nambu-Gor'kov格林函数的准经典超导理论，模拟非中心对称系统中的Andreev束缚态。
• 在Andreev近似下使用Bogoliubov波函数方法，推导表面和界面附近束缚态的能量谱。
• 应用Blonder-Tinkham-Klapwijk（BTK）模型，计算正常金属-超导结中的隧道电导率。
• 在费米面上引入自旋-轨道向量场，并分析其对序参量对称性和束缚态结构的影响。
• 通过引入一个序参量被抑制的薄层来建模界面，研究其对电导率的影响，假设为清洁极限且透射完美。
• 通过相干振幅和电导谱的数值解，分析不同类型的自旋-轨道耦合——Rashba、Dresselhaus以及立方对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非中心对称超导体中，自旋-轨道耦合如何影响Andreev束缚态的形成及其拓扑性质？
• RQ2 在何种条件下，界面处会形成携带自旋超流的螺旋形边缘模式？
• RQ3 超导序参量中单重态与三重态成分的相对强度在决定零偏压电导峰存在性方面起什么作用？
• RQ4 隧道电导谱如何反映底层的配对对称性和自旋-轨道向量结构？
• RQ5 当序参量的单重态与三重态成分相等时，其量子相变的本质是什么？

主要发现

• 仅当序参量的三重态成分占主导时，才会出现携带自旋超流的螺旋形边缘模式。
• 当单重态与三重态序参量成分相等时发生量子相变，此时零能Andreev束缚态消失，新的拓扑非平庸基态出现。
• 隧道谱中的零偏压电导峰是非平凡配对对称性的稳健特征信号，与费米面上Andreev束缚态的存在直接相关。
• 对于Rashba自旋-轨道耦合，Andreev电导表现出显著各向异性和增强至正常电导两倍的零偏压峰，表明强自旋极化效应。
• 在立方对称情况下，电导谱类似于s波单重态超导体，表明自旋-轨道诱导的各向异性被抑制。
• 在清洁极限下，表面层中序参量的抑制不影响零偏压电导，因为相干振幅在ε = 0处保持空间恒定。