Controllable Superconducting Phase Transition and Magnetization Reorientation due to Spin-Orbit Interactions

Abstract

Vi undersøker to superledende hybridstrukturer og ser på virkningen av å kombinere ulike materialer. Det første systemet består av en enkelt homogen ferromagnet koblet til en superleder, hvor et tynt lag av tungt normalmetall forsterker Rashba spin-bane-koblingen i grenseskiktet. Vi finner en retningsendring i magnetiseringen drevet av den superledende faseovergangen. Avhengig av den iboende anisotropien til ferromagneten vil vi få en endring i den foretrukne magnetiseringsretningen enten fra i planet til ut av planet eller en $\pi/4$ rotasjon i planet. Beregninger i den ballistiske grensen viser at den kritiske temperaturen varierer under rotasjon av magnetiseringsretingen i planet, i motsetning til invariansen funnet i den diffusive grensen. Det andre systemet består av en superleder og et enkelt tungt normalmetall med Rashba spinn-bane-kobling. Den kritiske temperaturen til den superledende hybridstrukturen er lavere for spinn-bane-felt i planet enn ut av planet, og den er også avhengig av retningen i planet. Hovedrammeverket brukt i våre numeriske beregninger er en Bogoliubov-de Gennes gittermodell for ballistiske materialer hvor det antas at elektronene er tett knyttet til gitterpunktene. Vi introduserer også en Bogoliubov-de Gennes kontinuumsmodell for å kunne utlede analytiske uttrykk for de retarderte, anomale Greensfunksjonene som beskriver singlett- og triplettamplitudene i systemet bestående av en superleder og et tungt normalmetall.

We consider proximity-effects in two superconducting hybrid structures. The first system consists of a single homogeneous ferromagnet proximity-coupled to a superconducting layer, where an intermediate thin-film heavy normal-metal enhances the interfacial Rashba spin-orbit interaction. We demonstrate a reorientation of the favored magnetization direction driven by the superconducting phase transition. Depending on the intrinsic anisotropy of the ferromagnet, either a reorientation from in-plane to out-of-plane or a $\pi/4$ in-plane rotation is possible. Computation of the superconducting critical temperature in the ballistic limit shows a dependence on the in-plane magnetization direction, in contrast to previous diffusive limit results. The second system consists of a single heavy normal-metal with Rashba spin-orbit coupling, proximity-coupled to a superconducting layer. We predict a suppression of the superconducting critical temperature for in-plane spin-orbit fields, that depends on the in-plane orientation. The main theoretical framework for our numerical treatment is the ballistic-limit tight-binding lattice Bogoliubov-de Gennes framework. We also use a Bogoliubov-de Gennes continuum model for obtaining analytical expressions for the singlet and triplet retarded anomalous Green's functions of our second system.