Giant Anisotropy in the Josephson Effect and Magnetization Dynamics in Spin-Orbit Coupled Antiferromagnetic Josephson Junctions

Abstract

Vi benytter en Hubbard-modell til å beskrive en to-dimensjonal antiferromagnetisk Josephson kobling med Rashba-type spinn-bane kobling, og bruker modellen til å studere Josephson-strømmen og den frie energien i koblingen. Vi kombinerer deretter Hubbardmodellen med Landau–Lifshitz–Gilbert (LLG) ligningen til å undersøke muligheten for magnetiseringsdynamikk for den antiferromagnetiske ordensparameteren. Vi finner at den kritiske Josephson strømmen er avhengig av både den antiferromagnetiske ordensparameteren av styrken til spinn-bane koblingen, og kan variere med flere størrelsesordener for forskjellige orienteringer av den antiferromagnetiske ordensparameteren. Vi viser også at for parametervalg som gir en ikke-triviell anomal fase, så er energianisotropien generelt mye større en variasjon i energi når man varierer faseforskjellen mellom de to superlederne. Vi forklarer disse fenomenene med hvordan kombinasjonen av antiferromagnetisk orden og Rashba-type spinn-bane kobling påvirker det antiferromagnetiske energigapet. Den store energianisotropien og lave kritiske strømmen gjør at magnetiseringsdynamikken i system er svak, noe som gjør systemet uegnet for applikasjoner som drar nytte av superstrømindusert magnetiseringdynamikk. Vi viser også hvordan den store variasjonen i kritisk strøm kan bli brukt til å kontrollere den antiferromagnetiske ordensparameteren når man styrer faseforskjellen i koblingen.

We consider a Hubbard model describing a two-dimensional spin-orbit coupled antiferromagnetic Josephson junction, and use the model to study both the Josephson current and the free energy of the junction. We then combine the Hubbard model with the Landau–Lifshitz–Gilbert (LLG) equation to study possible dynamics for the antiferromagnetic order parameter. We show that the critical Josephson current is highly dependent on both the sublattice magnetization characterizing the staggered magnetic order and the strength of the spin-orbit coupling, and can vary by several orders of magnitude for different orientations of the sublattice magnetization. We also show that for parameter choices that yield non-trivial anomalous phases, the energy anisotropy as a function of the orientation of the sublattice magnetization is generally much larger than the variation in energy when varying the phase difference between the two superconductors. These effects can be explained by the effect of interplay between the antiferromagnetic order parameter and the Rashba spin-orbit coupling on the bandgap in the interlayer. The large energy anisotropies and low critical current causes the current-induced magnetization dynamics to be very weak, which makes the system unsuitable for applications utilizing an applied supercurrent to control the sublattice magnetization. We also demonstrate that the large variation in critical currents can be used to control the sublattice magnetization when phase-biasing the junction.