反強磁性体における異方的ジョセフソン効果：π接合とφ接合の実現可能性

Основні поняття

本稿では、超伝導体/反強磁性体/超伝導体接合におけるジョセフソン効果の理論的研究を行い、反強磁性体の結晶軸方向や交換相互作用の強さによって、従来の0接合やπ接合に加えて、φ接合も実現可能であることを示した。

Анотація

超伝導体/反強磁性体/超伝導体接合におけるジョセフソン効果：φ接合の実現可能性

本論文は、二次元超伝導体/反強磁性体/超伝導体（S/AM/S）接合におけるジョセフソン効果を理論的に解析した研究論文である。

本研究は、S/AM/S接合において、反強磁性体におけるスピン分裂場の方向や強さ、接合の長さ、化学ポテンシャル差などのパラメータを調整することで、従来の0接合やπ接合に加えて、φ接合を実現できるかどうかを理論的に検証することを目的とする。

二次元S/AM/S接合をモデル化し、ナmbuスピノルを用いたハミルトニアンを構築した。
反強磁性体の磁化には、結晶軸方向に依存したd波対称性を仮定した。
超伝導体には、従来型のスピン一重項s波対ポテンシャルを仮定した。
平衡状態におけるジョセフソン電流を、連続状態とAndreev束縛状態の両方の寄与を含むFurusaki-Tsukada公式を用いて計算した。
接合の幅が接合の長さよりも十分に大きい極限を考慮し、横方向の運動量に関する和を角度積分で置き換えた。
各角度におけるAndreev反射係数を境界条件から求め、角度分解ジョセフソン電流を計算した。
得られた角度分解ジョセフソン電流を角度積分することで、全体のジョセフソン電流を求めた。

Ключові висновки, отримані з

$\varphi$ Josephson junction induced by altermagnetism

by Bo Lu, Kazuk... о arxiv.org 10-07-2024

https://arxiv.org/pdf/2405.10656.pdf

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本研究で示されたφ接合は、従来の超伝導量子ビットと比較して、どのような利点や欠点があると考えられるか？

利点

設計の柔軟性向上: φ接合は、交換結合強度、結晶軸の向き、接合長、化学ドーピングなど、様々なパラメータを調整することで実現できます。これは、従来の超伝導量子ビットよりも設計の自由度が高く、目的に応じた微調整が可能なことを意味します。
デコヒーレンス時間の増大: φ接合は、二重縮退基底状態を持つため、特定の種類のノイズに対して強い可能性があります。これは、量子ビットのデコヒーレンス時間を長くし、より複雑な量子計算の実現に役立つ可能性があります。
新規な量子ビット操作: φ接合における二重縮退基底状態は、従来の量子ビットとは異なる新規な量子状態を提供します。これは、新しい量子ビット操作方法や、より効率的な量子計算アルゴリズムの開発につながる可能性があります。
欠点

製造の複雑さ: φ接合の実現には、ナノスケールでの精密な材料制御が必要です。これは、現在の製造技術においては依然として困難な課題であり、大規模な量子ビットの作製を妨げる可能性があります。
制御の難しさ: φ接合の特性は、多くのパラメータに敏感に依存します。これは、量子ビットの状態を正確に制御することが難しく、ノイズの影響を受けやすくなる可能性を示唆しています。
未知の課題: φ接合は、従来の超伝導量子ビットと比較して、まだ研究段階にあり、その特性や潜在的な問題点については未解明な部分が多く残されています。

本研究では、理想的な界面を仮定しているが、現実の材料における界面の不完全性は、φ接合の特性にどのような影響を与えると考えられるか？

現実の材料における界面の不完全性は、以下のような影響をφ接合の特性に与えると考えられます。

界面におけるスピン散乱: 界面の不完全性は、スピン散乱を引き起こし、Andreev反射過程に影響を与えます。これは、ジョセフソン電流の抑制や、0-π転移、φ接合の出現条件の変化につながる可能性があります。
界面磁気モーメント: 界面に局在スピンや磁気的な秩序が生じると、それがアルターマグネットとの相互作用を通じて、φ接合の特性に影響を与える可能性があります。特に、界面磁気モーメントが時間的に揺らぐ場合には、量子ビットのデコヒーレンス源となる可能性も考えられます。
界面における近接効果の変化: 界面の不完全性は、超伝導体とアルターマグネット間の近接効果に影響を与え、Cooper対の侵入長や、界面における超伝導ギャップの大きさを変化させる可能性があります。これは、ジョセフソン電流の大きさや、φ接合の出現条件に影響を与える可能性があります。
これらの影響を最小限に抑えるためには、界面の原子レベルでの制御や、界面におけるスピン散乱を抑制する材料の探索など、更なる研究開発が必要となります。

本研究で得られた知見は、反強磁性体以外の物質における新規なジョセフソン接合の設計にどのように応用できるだろうか？

本研究で得られた知見は、アルターマグネット以外の物質における新規なジョセフソン接合の設計にも、以下の通り応用できると考えられます。

空間反転対称性の破れた物質: アルターマグネットは空間反転対称性を保ちながらスピン空間の対称性を破る物質ですが、本研究で示されたような運動量空間における異方的交換相互作用による制御は、空間反転対称性の破れた物質にも応用できる可能性があります。例えば、Rashba効果を持つ系や、特定の結晶構造を持つ物質において、類似の現象が期待できるかもしれません。
人工構造による設計: 本研究で示された運動量空間における0-π転移の設計指針は、人工的な構造を用いることで、他の物質系でも実現できる可能性があります。例えば、強磁性体と常磁性金属の多層膜や、超伝導体と強磁性体の界面にナノスケールの構造を導入することで、運動量空間における磁気構造を制御し、所望のジョセフソン電流-位相関係を実現できるかもしれません。
トポロジカル物質への応用: トポロジカル絶縁体やWeyl半金属といったトポロジカル物質は、バルク状態で質量ゼロのディラック電子やWeyl電子を持ち、特異な表面状態を示します。これらの物質と超伝導体を組み合わせたジョセフソン接合において、本研究で得られた知見を応用することで、トポロジカルに保護されたジョセフソン電流や、マヨラナフェルミオンなどのエキゾチックな準粒子状態を実現できる可能性も考えられます。
このように、本研究で得られた知見は、アルターマグネット系に限らず、様々な物質系における新規なジョセフソン接合の設計に新たな道を切り開く可能性を秘めています。