Supercurrent-Induced Spin-Spin Interactions in Bilayers of Superconductors and Magnetic Insulators

Abstract

Generelle tolagsstrukturer best˚aende av en superleder koblet til en magnetisk isolator har blitt undersøkt gjennom en Schrieffer-Wolff-transformasjon i den klassiske grensen for ˚a finne de effektive spinn-spinninterasjonene i isolatoren. Spesielt viktig er den effektive Dzyaloshinskii–Moriya-interaksjonen (DMI) som opptrer som konsekvens av en spinnstrøm i superlederen. Dette kan muliggjøres enten gjennom en superstrøm-bærense FFLO-tilstand, eller gjennom en ikke-unitær blandet symmetrisk og antisymmetrisk elektronparing. En tidligere oppdaget effektive anisotropi i spinn-rommet er n˚a forklart av symmetribrytning av spinnrotasjon fra d-vektoren i en superleder med p-bølge-paring.

De effektive spinn-spinn-interaksjonene, spesielt DMI-interaksjonen, gir opphav til en asymmetrisk magnondispersion, b˚ade i ferromagnetiske, antiferromagnetiske og altermagnetiske isolatorer. I isolatorer med kompensert magnetisk ordning, som er av spiesiell interesse for spintronikkanvendelser, opptrer dispersjonsasymmetrien med motsatt fortegn for de to magnongrenene med motsatt spinn. Dette indikerer at en indusert magnonisk spinntrøm er mulig ogs˚a i disse materialene, uten at det krever spinn-splitting fra et eksternt felt, spinn-banekobling eller altermagnetisk ordning, men dette er foreløpig ikke p˚avist eksplisitt

General bilayers consisting of a superconudcor coupled to a magnetic insulator have been investigated with a Schrieffer-Wolff transformation in the classical limit to find effective spin-spin interactions in the magnetic insulator. Of special interest is an effective Dzyaloshinskii–Moriya interaction (DMI) emerging from a spin current in the superconductor, either through a supercurrent-carrying spin triplet FFLO state, or through non-unitary mixed triplet and singlet pairing. A previously discovered effective spin space anistrotropy is now explained by the p-wave superconductor d-vector breaking spin rotational symmetry.

The effective spin-spin interactions, in particular the DMI, result in asymmetrical magnon dispersions, both in ferromagnetic, antiferromagnetic and altermagnetic and insulators. In insulators of compensated magnetic ordering, of special interest for the purpose of spintronic devices, the asymmetry appears with different sign for two opposite-spin magnon branches. This indicates that induced magnonic spin currents are possible also in these materials without requiring spin splitting from an external field, spin-orbit coupling or altermagnetic ordering, but this remains to be shown explicitly.