Theoretical investigations of charge and spin transport through superconducting tunnel junctions

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-451763
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.45176

Costa, Andreas

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Date of publication of this fulltext: 15 Mar 2021 08:35

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	15 March 2021
Referee:	Prof. Dr. Jaroslav Fabian
Date of exam:	9 March 2021
Institutions:	Physics > Institute of Theroretical Physics > Chair Professor Richter > Group Jaroslav Fabian
Keywords:	Superconducting junctions, Josephson junctions, Spin-triplet Cooper pairs, Andreev reflection, Supraleitende Kontakte, Josephson-Kontakte, Spin-Triplett Cooper-Paare, Andreev-Reflektion
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	45176

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Abstract (English)

Abstract (English)

Superconducting tunnel junctions exhibit not only extraordinary physical phenomena, but simultaneously provide unique possibilities to generate and control spin-polarized supercurrents as the essential ingredients for numerous modern technologies, especially for recent quantum-computing concepts. Bringing superconductivity together with its nominally antagonistic ferromagnetic phase gives rise to particularly rich physics that might soon facilitate additional functionalities in spintronics applications. Prominent examples cover magnetic Josephson junctions, in which the competing superconducting and ferromagnetic properties can add intrinsic π-phase shifts to the junctions’ characteristic sinusoidal current-phase relations and thereby even reverse the directions of the Josephson currents. Implementing a reliable control knob between these π- and the junctions’ initial 0-states might mark the first great step towards the realization of quantum bits in prospective computers. The interplay between superconductivity and ferromagnetism gets most intriguing in tunnel regions that furthermore host (interfacial) spin-orbit couplings. The resulting competition between the ferromagnetic exchange and the spin-orbit interactions has unambiguous signatures in spectroscopy and electrical transport – mostly due to long-range superconducting proximity effects that induce triplet superconducting correlations even in strongly spin-polarized ferromagnets –, and is moreover expected to support topological superconductivity and emergent Majorana states.

In this dissertation, we will perform systematic and comprehensive microscopic model calculations for various superconducting magnetic tunnel geometries, allowing us to theoretically study the ramifications of combining superconductivity with magnetic exchange and spin-orbit couplings in real devices. The work’s main directions cover conductance simulations of ferromagnet/superconductor multilayer junctions, bound state and Josephson current analyses of different classes of magnetic Josephson contacts, and finally a profound discussion of transverse Hall supercurrent phenomena. Paying special attention on unraveling clear fingerprints of the investigated effects and practical feasibility, our results might boost subsequent experimental efforts and contribute to gain more insight into the surprising physics of superconducting magnetic tunnel configurations.

Translation of the abstract (German)

Supraleitende Tunnelkontakte zeichnen sich nicht nur durch außergewöhnliche physikalische Eigenschaften aus, sondern ermöglichen zugleich auf einzigartige Weise, spin-polarisierte Supraströme und somit die grundlegenden Bausteine modernster Technologien, wie sie beispielsweise aktuelle Quantencomputer-Konzepte erfordern, effektiv zu erzeugen und zu steuern. Beeindruckende physikalische Effekte, die Spinelektronik-Anwendungen bald durch zusätzliche Funktionsvielfalt bereichern könnten, treten durch die Kombination von Supraleitfähigkeit mit ihrer eigentlich stark gegensätzlichen ferromagnetischen Ordnung zu Tage. Zu den bekanntesten Beispielen hierfür zählen magnetische Josephson-Kontakte, in denen die gegensätzlich wirkenden supraleitenden und ferromagnetischen Eigenschaften die charakteristischen Strom-Phase-Relationen der Kontakte um eine intrinsische Phasenverschiebung von π ergänzen und somit schließlich die Richtungen der fließenden Josephson-Ströme invertieren. Eine verlässliche Umschaltmöglichkeit zwischen jenen π- und den anfänglichen 0-Zuständen der Kontakte zu etablieren, könnte den ersten großen Schritt hin zu Quantenbits in zukünftigen Computern markieren. Das Zusammenbringen von Supraleitung und Ferromagnetismus vermag besonders in jenen Bereichen von Tunnelkontakten zu faszinieren, in welchen darüber hinaus Spin-Bahn-Kopplungseffekte (an den Grenzflächen) auftreten. Das daraus resultierende Zusammenspiel zwischen der ferromagnetischen Austausch- und den Spin-Bahn-Wechselwirkungen führt nicht nur zu eindeutigen Modifikationen von Spektroskopie- und elektrischen Transporteigenschaften – vor allem durch langreichweitige supraleitende Proximity-Effekte beeinflusst, die sogar supraleitende Triplett-Korrelationen in stark spin-polarisierten Ferromagneten hervorrufen –, sondern vermutlich auch zu topologischer Supraleitung und damit einhergehenden Majorana-Zuständen.

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation werden wir für verschiedenste supraleitende magnetische Tunnelanordnungen systematische und umfassende mikroskopische Modellrechungen durchführen, um letztendlich theoretisch die Auswirkungen von kombinierter Supraleitfähigkeit, magnetischer Austauschwechselwirkung und Spin-Bahn-Kopplungseffekten in realistischen Systemen zu untersuchen. Die Arbeit befasst sich vornehmlich mit der Simulation von Leitfähigkeiten mehrschichtiger Ferromagnet/Supraleiter-Kontakte, mit der Analyse von gebundenen Zuständen und Josephson-Strömen in unterschiedlichen magnetischen Josephson-Kontakten, und schlussendlich mit einer tiefgreifenden Diskussion von transversalen Hall-Supraströmen. Wir werden den beschriebenen Effekten eindeutige Erkennungsmerkmale zuordnen und stets die experimentelle Realisierbarkeit unserer Modellstudien im Auge behalten, so dass unsere Ergebnisse insgesamt zukünftige experimentelle Anstrengungen bereichern und zu einem tieferen Verständnis der erstaunlichen physikalischen Charakteristika von supraleitenden magnetischen Tunnelsystemen beitragen können.

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