Spin-Orbit Enhanced Josephson Effect

Abstract

Denne masteravhandlingen vil undersøke superstrømmen gjennom en Josephson-kontakt bestående av to konvensjonelle superledere adskilt av et tungmetall med Rashba spinn-bane kobling. Vi demonstrerer hvordan superstrømmen gjennom en slik kontakt er følsom for både retningen og styrken til spinn-bane koblingen i tungmetallet. Den fysiske oppførselen til superstrømmen er forklart ved et samspill mellom spredningspotensialet og spinn-bane koblingen ved grensesjiktet mellom materialene.

Dersom det er et spredningspotensial ved grensesjiktet mellom en superleder og et tungmetall, vil dette potensialet føre til en uoverensstemmelse av Fermi-vektorene mellom de to materialene. Vi har vist hvordan det er mulig å gjenopprette symmetrien mellom Fermi-vektorene ved å introdusere en spinn-bane kobling. Spinn-bane koblingen vil kombinere elektronenes spinn og impuls, slik at energibåndene gjennomgår en impulsavhenging Zeeman-splitting. Følgelig vil Fermi overflaten til tungmetallet dele seg i to overflater med invertert spinnsymmetri. Styrken til spinn-bane koblingen vil avgjøre i hvor stor grad denne Zeeman-splittingen finner sted, og åpner dermed muligheten for å justere en av de nye Fermi-overflatene til å sammenfalle med superlederens Fermi-flate. Ved å oprette symmetri mellom materialenes Fermi-overflater vil uoverensstemmelsene av Fermi-vektorene, som effektivt fungerer som en barriere for partikler som vil transmittere over grensesjiktet, ikke lenger finne sted. Med utgangpunkt i denne fysikken kan man predikere en superstrøm som er sterkere i denne kontakten sammenlignet med en kontakt uten spinn-bane kobling. Disse observasjonene er i sterk kontrast til lignende forsking på ferromagnetiske Josephson-kontakter hvor superstrømmen alltid svekkes av det magnetiske feltet.

Videre har vi gjort rede for hvilken retning av spinn-bane koblingen som påvirker superstrømmen mest. Med et oppsett som undersøker superstrøm i en gitt retning, vil superstrømmen naturlig avhenge sterkt av partikler med impuls i samme retning. Det er derfor essensielt at disse elektronene ikke opplever en barriere ved grensesjiktet for å transmittere lettere over kontakten. Dermed vil en spinn-bane kobling orientert parallelt med grensesjiktet gi mulighet for sterkere superstrøm sammenlignet med en vinkelrett orientering. En slik oppførsel er ulik en ferromagnetisk Josephson-kontakter hvor superstrømmen er uavhengig av mangetfeltets retning.

This thesis will investigate the supercurrent across a Josephson junction comprised of two conventional s-wave superconductors separated by a heavy metal with Rashba spin-orbit coupling. The results demonstrate that the supercurrent responds to both the strength and orientation of the spin-orbit coupling. Furthermore, the behavior of the current magnitude is understood through an interplay between the scattering- and spin-orbit potential.

A scattering potential will provide a Fermi vector mismatch at the interface between a superconductor and a heavy metal. However, it is possible to make the effective barrier disappear by using spin-orbit coupling. The spin-orbit coupling will couple the spin of the electron to its momentum. Therefore, the energy bands will undergo a momentum-dependent Zeeman-splitting, and the Fermi surface of the heavy metal will displace into two co-centered surfaces. By tuning the magnitude of the spin-orbit, we can make the Fermi surface of the superconductor coincide with one of those to the heavy metal. When they are coincided, it will remove any Fermi vector mismatch which acts as an effective barrier. With this underlying physics, we predict that the supercurrent can be made larger in magnitude in the presence of spin-orbit coupling compared to its critical value without spin-orbit coupling. These observations are in stark contrast to a magnetic Josephson junction where the magnetization always suppresses the supercurrent compared to the case without magnetization.

In addition, a current flowing along a given direction is determined primarily by the electrons with momentum in the same direction. Consequently, the supercurrent will increase when these electrons experience an absent barrier at the interface between the superconductor and the heavy metal. Thus, when the spin-orbit coupling is oriented parallel to the interface compared to a perpendicular orientation, the spin-orbit coupling provides a larger supercurrent. This behavior differs from a magnetic Josephson junction where the supercurrent is invariant to changes in the magnetization direction.