Interfacial control of vortex-limited critical current in type-II superconductor films

Abstract

Ginzburg-Landau (GL)-teorien for superledning i kombinasjon med spinn-bane-kobling er brukt til å beregne kritisk strøm i type-II superledende tynne filmer med Rashba spinn-bane-kobling. Formalismen som er benyttet her er relevant for den type filmer der den kritiske strømmen er bestemt av at vortekser blir dannet på overflaten for så å bevege seg på tvers over filmen. Vårt arbeid er motivert av nylige eksperimentelle observasjoner av forsterket kritisk strøm i tynne filmer ved hjelp av en ytre spenning, i tillegg til den teoretiske oppdagelsen av at spontane strømmer kan eksistere i grenseflaten mellom en superleder og en ferromagnet som følge av samspillet mellom et Zeeman-felt og Rashba spinn-bane-kobling. Vi har inkludert grenseflate-spinn-bane-kobling på en generell måte, slik at man tillater spinn-bane-kobling på én eller begge overflatene av filmen. Ved å starte fra den generelle GL frie energitetthet for en superleder med spinn-bane-kobling, utleder vi en GL-ligning for strømtettheten og en London-ligning for det magnetiske feltet i en superleder i London-grensen. Ved å generalisere Shmidts kriterium som tidligere har blitt brukt til å beregne kritisk strøm i superledende filmer, anslår vi endringen i kritisk strøm som følge av grenseflate-spinn-bane-kobling. De generelle resultatene blir så anvendt på konkrete eksempler på hybrid-strukturer av superledere og magnetiske isolatorer, der sistnevnte induserer det nødvendige Zeeman-feltet. Våre resultater viser at den kritiske strømmen både kan bli forsterket og minsket av spinn-bane-kobling, avhengig av konfigurasjonen.

The Ginzburg-Landau (GL) theory of superconductivity in the presence of spin-orbit coupling (SOC) is used to calculate the critical current in type-II superconducting thin films with Rashba SOC. The formalism employed here is relevant for the type of films where the critical current is determined by the process of vortex nucleation at the surface and subsequent movement across the film. Our work is motivated by the recent experimental observation of critical current enhancement in superconducting films by a gate voltage, as well as the theoretical discovery that spontaneous currents can exist at the interface between a superconductor and a ferromagnet due to the interplay between a Zeeman field and Rashba SOC. In our approach, the interfacial SOC is included in a general way, allowing nonzero SOC on one or both surfaces of the film. Starting from the general GL free energy density including SOC, we derive a GL equation for the current density and a London equation for the magnetic field in a superconductor in the London limit. Generalizing Shmidt's criterion previously used to calculate the critical current in superconducting films, we estimate the change in critical current induced by the interfacial SOC. The general results are then applied to specific examples of hybrid structures of superconductors and magnetic insulators, where the latter induce the required Zeeman field. Our results show that the critical current can both be enhanced or reduced by the SOC, depending on the configuration.