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高温超导及铁磁/超导异质结中电子输运的理论研究

孟豪  
【摘要】:随着自旋电子学的发展以及信息存储和数据传输的量子器件的不断开发和利用,近年来人们对电子自旋极化流的输运、控制和操纵产生了极大的兴趣。我们考虑主要可以通过两种途径来达到以上目的:其中一种途径是利用自旋相关的输运现象—自旋轨道耦合作用引起的自旋霍尔效应来产生和输运自旋极化流。另外一个途径是在铁磁/超导隧道结及其多层结构中通过铁磁-超导界面处的自旋倒易散射实现超导体内的偶频单重Cooper对向铁磁体内的相同自旋的奇频三重对的转变最终达到对铁磁体内自旋流的操纵。 本文基于Bogoliubov-de Gennes理论,分别研究了自旋轨道耦合相互作用对不同掺杂度高温超导体涡旋电荷符号以及局域态密度的影响,并针对不同结构的铁磁/金属超导异质结中目前存在的主要问题进行了研究和讨论。论文主要包括以下几方面内容: (1)在反铁磁序与d波超导电性具有相互竞争作用的有效模型哈密顿量中引入自旋轨道耦合项,通过自洽求解实现模型哈密顿量的对角化;以研究自旋轨道耦合作用对不同掺杂水平的高温超导体中反铁磁性、涡旋电荷分布及涡旋芯处局域态密度的影响。我们的结果表明,自旋轨道耦合能够使准粒子的自旋简并劈裂并诱导一个自旋倒易过程,该过程能够产生一个自旋向上和自旋向下隧道之间的转换。从而可以引起涡旋芯处的一个双峰态密度谱和涡旋电荷符号的改变。此结果可以解释扫描隧道显微镜实验的YBa_2Cu_3O_(7-x)微分电导谱和核磁共振实验中的反铁磁序和电荷序共存现象。 (2)通过对角化平均场模型哈密顿量研究铁磁/超导/铁磁结构中局域态密度随铁磁体交换场强度的变化。我们的研究发现:(a)交换场I=0时(即铁磁体为正常金属),自旋单重对f 3 = (↑↓-↓↑) 2可以穿入超导体内一个超导相干长度,从而在正常金属内产生一个子能隙。另外由于反邻近效应超导体内的能隙会有所减少。(b)交换场I=0.3Δ0 (Δ0是超导对势)时,由于塞曼效应使得正常金属内产生的能隙发生劈裂,从而在局域态密度谱中产生4个峰。(c)交换场I=0.74Δ0时,由于f3在铁磁体内的振荡可以实现局域态密度在“0”态“π”之间的转变。(d).随着交换场I继续增大f3在铁磁体内快速振荡衰减,并在I足够大时,f3通过界面在铁磁内传播很短距离便衰减为0,从而导致超流无法穿过F/S/F结。 (3)我们在已有的平均场哈密顿量中引入界面自旋倒易散射势,从而研究铁磁/超导/铁磁结构中倒易势对态密度谱的影响。我们发现倒易散射能够导致铁磁/超导界面附近电子自旋混合,能够实现s波单重对和奇频三重对之间的转换。另外,通过带间和带内的安德鲁反射能够产生具有子能隙能(±εb)的安德鲁束缚态,这使得态密度谱中增加了一个自旋决定的子能隙峰。能量在±εb处的弹性共振隧穿增强了局域传导,当它与交错安德鲁效应竞争时将会导致非局域微分电导符号的改变。 (4)通过对角化平均场模型哈密顿量研究被两个传统的s-波超导电极所夹的钬(Ho)-钴(Co)-钬(Ho)三层铁磁结构中自旋三重对的隧穿过程。我们的研究表明具有自旋极化散射势的Ho层表现为一个自旋活跃的源区,该区域能够激活输运中的库珀对的自旋自由度并控制自旋单重对和奇频三重对之间的转化,从而导致相同自旋三重超流对Ho铁磁层的磁性结构的有序依赖。我们发现一个对称的磁性结构可以产生相同的自旋极化散射势,其能够增强相同的自旋三重对的隧穿。反对称结构将会在左侧和右侧Ho/Co界面处产生相反的电子自旋带劈裂,从而抑制三重对的隧穿。三重超流的振幅随Ho层厚度的变化显示出尖锐的峰,而当Co层的厚度保持在三重对的相干长度范围时三重超流显示一个平台,这与最近实验观测的结果很好的符合。


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