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近年来,随着三重态超导材料,特别是非中心对称超导材料的发现,越来越多的研究人员开始关注这些材料的超导电性,而三重态超导体的新奇特性给超导电性领域的研究注入了新鲜的血液。本文主要利用量子散射矩阵方法研究三重态超导隧道结的输运特性,通过研究这些隧道结来帮助我们了解三重态超导体的序参量对称性,以及设计新型的超导电子器件。
首先,我们研究了二维电子气/绝缘层/非中心对称超导隧道结的隧穿电导。其中Rashba自旋轨道耦合作用同时存在于结的两端,且超导中存在自旋单态和三重态两种混合超导配对势。通过运用推广的Blonder-Tinkham-Klapwijk方法,我们发现存在于任意一边的Rashba自旋轨道耦合作用均可以增大或抑制隧穿电导,而这一调节特性依赖于体系的系统参数,比如:结两边的费米波矢以及中间绝缘层的势垒强度。这一点与铁磁效应的调控特性是不同的。我们还发现,隧穿电导谱会出现两个特殊的尖峰或转折点,这些转折点非常有利于判断超导中的单重态和三重态能隙的相对强度;同时运用隧穿电导谱的数值特征,可以判断非中心对称超导体内Rashba自旋轨道耦合作用的相对强度。
其次,我们研究在于净极限情形下,Rashba自旋轨道耦合作用对三重态超导/二维电子气/三重态超导结中的约瑟夫森电流的调控。其中,Rashba自旋轨道耦合作用只存在于二维电子气中。基于Bogoliubov-de Gennes方程和量子散射矩阵方法,我们得出Rashba自旋轨道耦合作用可以导致约瑟夫森电流出现0态到π态的转变,并且会有电流突然反转效应。也就是在临界点上,电流的方向可以在调节微小的Rashba自旋轨道耦合常数时发生突然的换向,其物理来源是由于三重态超导中的等自旋配对以及二维电子气中的Rashba自旋轨道耦合作用对输运中的准粒子产生的自旋进动效应。实验中,Rashba自旋轨道耦合强度可以通过一个外加电场进行调控,所以我们的研究结果提供了一个纯粹的电学意义上的调控三重态约瑟夫森电流的方法,而不是传统的磁场调控方法。
最后,我们将研究s波超导/非中心对称超导约瑟夫森结中的约瑟夫森电流和自旋流特性。基于BdG方程,我们发现在这个异质结中,不但存在径向的角分辨自旋流,系统还存在横向的自旋流。自旋流来自于界面处的准粒子的自旋相关散射,而且非中心对称超导中的各向异性三重态超导序参量起了关键的作用。研究发现,非中心对称超导中单重态和三重态的比重决定横向自旋流的相位关系,在特殊的非中心对称超导晶轴取向下,相对结的界面方向,自旋流可展现出独立于结两边超导相位差的特性。这些特征为实验上进一步确定非中心对称超导的序参量对称性提供了一定的帮助作用。
通过对这些三重态超导材料的各种隧道结的输运特性研究,我们得到了非中心对称超导的隧穿电导谱,三重态超导约瑟夫森电流的特性和相应的调控,以及异质超导结中的横向自旋流的相位关系。这些特性可以用来确定超导序参量的对称性,如非中心对称超导体中的自旋单重态和三重态的比重,自旋轨道耦合的强度;约瑟夫森电流调控的研究也为设计新型的基于三重态超导的电子器件奠定了基础。