Diffusive Curved Superconductor-Ferromagnet Proximity Systems in and out of Equilibrium
Abstract
I strukturer med superledere og ferromagneter kan superledende korrelasjoner lekke et lite stykke inn i ferromagneten; dette er den superledende proksimitetseffekten. Hybridsystemer hvor denne effekten er signifikant kan ved de rette omstendighetene gi opphav til spinn-polariserte superledende korrelasjoner som penetrerer et langt stykke inn i ferromagneten. Dette er lik-spinn triplett korrelasjoner. Superstrømmer av disse lik-spinn triplettene har netto spinn, slik at de kan la oss manipulere den magnetiske strukturen til materialer uten varmetapet fra konvensjonell elektronikk.
Å krumme disse hybridstrukturene kan være en måte å generere lik-spinn triplett korrelasjoner. Krumning har fordelen at den i prinsippet er dynamisk justerbar, og ikke avhengig av iboende egenskaper i materalet.I denne avhandlingen undersøkes egenskapene til krummede superleder-ferromgnet hybridstrukturer i regimet med diffusiv transport. Vi reformulerer Usadel-likningen med et endelig spin-bane juster-felt for en-dimensjonale kurver i planet, i tillegg til kvante-kinetiske likninger for å undersøke ikke-likevektsegenskapene til systemet. Videre introduserer vi en buelengde parametrisering av en klasse kurver, slik av vi kan studere effekten av ikke-uniform krumning.
Analyse av likevekt-superstrømmene viser en forsterkning av den totale ladningsstrømmen dersom systemet krummes. Avhengig av den geometriske symmetrien på systemet kan overgangen gjennomgå en 0-π overgang. Denne 0-π overgangen skjer ved forskjellige krumningsamplituder avhengig av symmetrien på den krummede regionen. En krumningsindusert 0-π overgang er i prinsippet dynamisk justerbar, og dermed lovende for anvendelser i spintronikk .
Analyse av spinn-akkumulering i en krummet ledning indikerer krummingsavhengige spinn-akkumuleringsprofiler, disse kan videre manipuleres ved å sette en spenning på systemet. Dette kan gi flere frihetsgrader for å manipulere kretselementer i spintronikk-systemer. Rammeverket kan også fasilitere videre undersøkelser av ikke-likevektseffekter i hybridstrukturer med superledere. In junctions between superconductors and ferromagnets, superconducting correlations may penetrate a short distance into the ferromagnet; this is the superconducting proximity effect. Heterostructures exhibiting the superconducting proximity effect may under the right conditions generate spin-polarized superconducting correlations that penetrate far into the ferromagnet; these are the long range triplet correlations. Supercurrents carried by long range triplets carry net spin, and may allow us to manipulate the magnetic structure of materials without the heat-loss of conventional electronics.
Introducing curvature to these heterostructures is a candidate for the generation of long range triplet correlations, and comes with the advantages that it is in principle dynamically tuneable and not directly dependent on intrinsic properties of the material.
In this thesis, we investigate the properties of curved superconductor-ferromagnet heterostructures in the diffusive regime. We reformulate the Usadel equation with a non-zero spin orbit field for 1D planar curves, as well as the quantum kinetic equations for investigating the non-equilibrium properties of the system. Furthermore, we introduce an arc length parametrization for a class of curves of non-uniform curvature to investigate the effects of non-uniform curvature on the system.
Analysis of the equilibrium supercurrent predict a curvature-induced amplification of the total charge current, that depending on the symmetry of the curved region the addition of curvature could induce a 0-π transition. The 0-π transition is also indicated to appear at different amplitudes of curvature depending on the symmetry of the curved region. A curvature induced 0-π transition is in principle dynamically tuneable, and thus promising for spintronic applications.
Analysis of the spin accumulation of a curved wire revealed curvature dependent spin accumulation profiles that could be further manipulated by an applied voltage bias; this may open new degrees of freedom in manipulating spintronic devices. The framework may also facilitate further investigation into non-equilibrium effects in superconductor heterostructures.