Spin-polarized proximity effect in superconducting junctions

Takehito Yokoyama; Yukio Tanaka

doi:10.1016/j.crhy.2005.11.007

Spin-polarized proximity effect in superconducting junctions
[Effets de proximité polarisés en spin dans les jonctions supraconductrices]

Takehito Yokoyama ^1,² ; Yukio Tanaka ^1,²

¹ Department of Applied Physics, Nagoya University, Nagoya 464-8603, Japan
² CREST, Japan Science and Technology Corporation (JST), Nagoya 464-8603, Japan

Comptes Rendus. Physique, Volume 7 (2006) no. 1, pp. 136-149.

Résumé
Abstract

Nous étudions des phénomènes dépendant du spin dans des jonctions supraconductrices en régimes balistique et diffusif. Pour les jonctions balistiques, nous étudions à la fois les jonctions entre ferromagnétique et supraconducteurs à ondes s et d et entre gaz d'électrons bidimensionnel et supraconducteurs à ondes s, avec couplage spin-orbite de Rashba. Nous montrons que le champ d'échange diminue toujours la conductance alors que le couplage spin-orbite de Rashba peut l'augmenter. Dans le reste de l'article, nous étudions les jonctions diffusives ferromagnétique/isolant/supraconducteurs à ondes s et d (DF/I/S), où, contrairement à l'opinion commune, l'effet de proximité peut être accru par le champ d'échange. Cet effet de proximité résonnant dans ces jonctions est étudié dans diverses situations : la conductance de la jonction et la densité d'états du DF sont calculées en changeant les hauteurs des barrières isolantes aux interfaces, les amplitudes de la résistance dans DF, le champ d'échange dans DF, les transparences des barrières isolantes et l'angle α entre la normale à l'interface et l'axe cristallographique des supraconducteurs à onde d. Nous montrons que l'effet de proximité résonnant dû au champ d'échange dans DF influence fortement la conductance tunnel et la densité d'états. Nous clarifions les points suivants : pour les jonctions à onde s, un pic marqué de conductance sous polarisation nulle (ZBCP) apparaît, à cause de l'effet de proximité résonnant. L'amplitude du ZBCP peut dépasser sa valeur dans les états normaux, à la différence de ce qui se produit dans les jonctions diffusives entre métal normal et supraconducteur. Nous trouvons des structures similaires à la conductance dans la densité d'états. Pour les jonctions à onde d à $α = 0$ , nous trouvons aussi un résultat similaire à celui obtenu pour les jonction à onde s. L'amplitude du ZBCP résonnant à $α = 0$ peut être supérieure à celle obtenue à $α / π = 0, 25$ , à cause de l'apparition d'états d'Andreev résonnants en milieu de bande interdite.

We study spin dependent phenomena in superconducting junctions in both ballistic and diffusive regimes. For ballistic junctions we study both ferromagnet/s- and d-wave superconductor junctions and two-dimensional electron gas/s-wave superconductor junctions with Rashba spin-orbit coupling. It is shown that the exchange field always suppresses the conductance while the Rashba spin-orbit coupling can enhance it. In the latter part of the article we study the diffusive ferromagnet/insulator/s- and d-wave superconductor (DF/I/S) junctions, where the proximity effect can be enhanced by the exchange field in contrast to common belief. This resonant proximity effect in these junctions is studied for various situations: conductance of the junction and density of states of the DF are calculated by changing the heights of the insulating barriers at the interfaces, the magnitudes of the resistance in DF, the exchange field in DF, the transparencies of the insulating barriers and the angle between the normal to the interface and the crystal axis of d-wave superconductors α. It is shown that the resonant proximity effect originating from the exchange field in DF strongly influences the tunneling conductance and density of states. We clarify the followings: for s-wave junctions, a sharp zero bias conductance peak (ZBCP) appears due to the resonant proximity effect. The magnitude of this ZBCP can exceed its value in normal states in contrast to that observed in diffusive normal metal/superconductor junctions. We find similar structures to the conductance in the density of states. For d-wave junctions at $α = 0$ , we also find a result similar to that in s-wave junctions. The magnitude of the resonant ZBCP at $α = 0$ can exceed that at $α / π = 0.25$ due to the formation of the mid gap Andreev resonant states.

Publié le : 2006-01-01

DOI : 10.1016/j.crhy.2005.11.007

Keywords: Andreev reflection, Proximity effect, Mid gap Andreev resonant states, Exchange field, Rashba spin-orbit coupling
Mot clés : Réflexion d'Andreev, États d'Andreev résonnants en milieu de bande interdite, Champ d'échange, Couplage spin-orbite de Rashba

Affiliations des auteurs :

Takehito Yokoyama ^{1, 2} ; Yukio Tanaka ^{1, 2}

¹ Department of Applied Physics, Nagoya University, Nagoya 464-8603, Japan
² CREST, Japan Science and Technology Corporation (JST), Nagoya 464-8603, Japan

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Takehito Yokoyama; Yukio Tanaka. Spin-polarized proximity effect in superconducting junctions. Comptes Rendus. Physique, Volume 7 (2006) no. 1, pp. 136-149. doi : 10.1016/j.crhy.2005.11.007. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2005.11.007/

Bibliographie
Cité par

[1] A.F. Andreev Sov. Phys. JETP, 19 (1964), p. 1228

[2] G.E. Blonder; M. Tinkham; T.M. Klapwijk Phys. Rev. B, 25 (1982), p. 4515

[3] Y. Tanaka; S. Kashiwaya; S. Kashiwaya; Y. Tanaka; M. Koyanagi; K. Kajimura; Y. Tanuma; Y. Tanaka; S. Kashiwaya Phys. Rev. B, 74 (1995), p. 3451

[4] T. Hirai; Y. Tanaka; N. Yoshida; Y. Asano; J. Inoue; S. Kashiwaya; N. Yoshida; Y. Tanaka; J. Inoue; S. Kashiwaya; S. Kashiwaya; Y. Tanaka; N. Yoshida; M.R. Beasley; I. Zutic; O.T. Valls; I. Zutic; O.T. Valls; N. Stefanakis; N. Stefanakis J. Phys. Condens. Matter, 67 (2003), p. 174501

[5] P.M. Tedrow; R. Meservey; P.M. Tedrow; R. Meservey; R. Meservey; P.M. Tedrow Phys. Rep., 26 (1971), p. 192

[6] S.K. Upadhyay; A. Palanisami; R.N. Louie; R.A. Buhrman Phys. Rev. Lett., 81 (1998), p. 3247

[7] R.J. Soulen; J.M. Byers; M.S. Osofsky; B. Nadgorny; T. Ambrose; S.F. Cheng; P.R. Broussard; C.T. Tanaka; J. Nowak; J.S. Moodera; A. Barry; J.M.D. Coey Science, 282 (1998), p. 85

[8] M.J.M. de Jong; C.W.J. Beenakker Phys. Rev. Lett., 74 (1995), p. 1657

[9] J.E. Hirsch Phys. Rev. Lett., 83 (1999), p. 1834

[10] P. Streda; P. Seba Phys. Rev. Lett., 90 (2003), p. 256601

[11] J. Schliemann; D. Loss Phys. Rev. B, 68 (2003), p. 165311

[12] J. Sinova; D. Culcer; Q. Niu; N.A. Sinitsyn; T. Jungwirth; A.H. MacDonald Phys. Rev. Lett., 92 (2004), p. 126603

[13] E.I. Rashba; E.I. Rashba; Yu.A. Bychkov; E.I. Rashba J. Phys. C, 2 (1960), p. 1224

[14] S. Datta; B. Das Appl. Phys. Lett., 56 (1990), p. 665

[15] L.W. Molenkamp; G. Schmidt; G.E.W. Bauer Phys. Rev. B, 64 (2001), p. 121202

[16] V.M. Edelstein Solid State Commun., 73 (1990), p. 233

[17] J. Inoue; G.E.W. Bauer; L.W. Molenkamp; J. Inoue; G.E.W. Bauer; L.W. Molenkamp Phys. Rev. B, 67 (2003), p. 033104

[18] F.W.J. Hekking; Yu.V. Nazarov Phys. Rev. Lett., 71 (1993), p. 1625

[19] F. Giazotto; P. Pingue; F. Beltram; M. Lazzarino; D. Orani; S. Rubini; A. Franciosi Phys. Rev. Lett., 87 (2001), p. 216808

[20] T.M. Klapwijk Physica B, 197 (1994), p. 481

[21] A. Kastalsky; A.W. Kleinsasser; L.H. Greene; R. Bhat; F.P. Milliken; J.P. Harbison Phys. Rev. Lett., 67 (1991), p. 3026

[22] C. Nguyen; H. Kroemer; E.L. Hu Phys. Rev. Lett., 69 (1992), p. 2847

[23] B.J. van Wees; P. de Vries; P. Magnee; T.M. Klapwijk Phys. Rev. Lett., 69 (1992), p. 510

[24] J. Nitta; T. Akazaki; H. Takayanagi Phys. Rev. B, 49 (1994), p. 3659

[25] S.J.M. Bakker; E. van der Drift; T.M. Klapwijk; H.M. Jaeger; S. Radelaar Phys. Rev. B, 49 (1994), p. 13275

[26] P. Xiong; G. Xiao; R.B. Laibowitz Phys. Rev. Lett., 71 (1993), p. 1907

[27] P.H.C. Magnee; N. van der Post; P.H.M. Kooistra; B.J. van Wees; T.M. Klapwijk Phys. Rev. B, 50 (1994), p. 4594

[28] J. Kutchinsky; R. Taboryski; T. Clausen; C.B. Sorensen; A. Kristensen; P.E. Lindelof; J. Bindslev Hansen; C. Schelde Jacobsen; J.L. Skov Phys. Rev. Lett., 78 (1997), p. 931

[29] W. Poirier; D. Mailly; M. Sanquer Phys. Rev. Lett., 79 (1997), p. 2105

[30] G. Eilenberger Z. Phys., 214 (1968), p. 195

[31] G.M. Eliashberg Sov. Phys. JETP, 34 (1971), p. 668

[32] A.I. Larkin; Yu.V. Ovchinnikov Sov. Phys. JETP, 41 (1975), p. 960

[33] K.D. Usadel Phys. Rev. Lett., 25 (1970), p. 507

[34] A.F. Volkov; A.V. Zaitsev; T.M. Klapwijk Physica C, 210 (1993), p. 21

[35] M.Yu. Kupriyanov; V.F. Lukichev; M.Yu. Kupriyanov; V.F. Lukichev Sov. Phys. JETP, 94 (1988), p. 139

[36] Yu.V. Nazarov Phys. Rev. Lett., 73 (1994), p. 1420

[37] S. Yip Phys. Rev. B, 52 (1995), p. 3087

[38] Yu.V. Nazarov; T.H. Stoof; T.H. Stoof; Yu.V. Nazarov Phys. Rev. B, 76 (1996), p. 823

[39] A.F. Volkov; N. Allsopp; C.J. Lambert; A.F. Volkov; H. Takayanagi Phys. Rev. B, 8 (1996), p. L45

[40] A.A. Golubov; F.K. Wilhelm; A.D. Zaikin Phys. Rev. B, 55 (1997), p. 1123

[41] A.F. Volkov; H. Takayanagi Phys. Rev. B, 56 (1997), p. 11184

[42] E.V. Bezuglyi; E.N. Bratus'; V.S. Shumeiko; G. Wendin; H. Takayanagi Phys. Rev. B, 62 (2000), p. 14439

[43] R. Seviour; A.F. Volkov Phys. Rev. B, 61 (2000), p. R9273

[44] W. Belzig; F.K. Wilhelm; C. Bruder et al. Superlattices and Microstructures, 25 (1999), p. 1251

[45] Y. Tanaka; A.A. Golubov; S. Kashiwaya Phys. Rev. B, 68 (2003), p. 054513

[46] Yu.V. Nazarov Superlattices and Microstructuctures, 25 (1999), p. 1221 | arXiv

[47] L.J. Buchholtz; G. Zwicknagl; C. Bruder; C.R. Hu Phys. Rev. Lett., 23 (1981), p. 5788

[48] S. Kashiwaya; Y. Tanaka Rep. Prog. Phys., 63 (2000), p. 1641 (and references therein)

[49] J. Geerk; X.X. Xi; G. Linker; S. Kashiwaya; Y. Tanaka; M. Koyanagi; H. Takashima; K. Kajimura; L. Alff; H. Takashima; S. Kashiwaya; N. Terada; H. Ihara; Y. Tanaka; M. Koyanagi; K. Kajimura; M. Covington; M. Aprili; E. Paraoanu; L.H. Greene; F. Xu; J. Zhu; C.A. Mirkin; J.Y.T. Wei; N.-C. Yeh; D.F. Garrigus; M. Strasik; I. Iguchi; W. Wang; M. Yamazaki; Y. Tanaka; S. Kashiwaya; F. Laube; G. Goll; H. v. Löhneysen; M. Fogelström; F. Lichtenberg; Z.Q. Mao; K.D. Nelson; R. Jin; Y. Liu; Y. Maeno; Ch. Wälti; H.R. Ott; Z. Fisk; J.L. Smith; H. Aubin; L.H. Greene; Sha Jian; D.G. Hinks; Z.Q. Mao; M.M. Rosario; K.D. Nelson; K. Wu; I.G. Deac; P. Schiffer; Y. Liu; T. He; K.A. Regan; R.J. Cava; A. Sharoni; O. Millo; A. Kohen; Y. Dagan; R. Beck; G. Deutscher; G. Koren; A. Kohen; G. Leibovitch; G. Deutscher Phys. Rev. Lett., 73 (1988), p. 329

[50] Y. Tanaka; Y.V. Nazarov; S. Kashiwaya Phys. Rev. Lett., 90 (2003), p. 167003

[51] Y. Tanaka; Y. Nazarov; A. Golubov; S. Kashiwaya Phys. Rev. B, 69 (2004), p. 144519

[52] Y. Tanaka; S. Kashiwaya; Y. Tanaka; S. Kashiwaya; T. Yokoyama Phys. Rev. B, 70 (2004), p. 012507

[53] S. Yip Phys. Rev. B, 52 (1995), p. 15504

[54] T. Yokoyama; Y. Tanaka; A.A. Golubov; J. Inoue; Y. Asano Phys. Rev. B, 71 (2005), p. 094506

[55] A.I. Buzdin; L.N. Bulaevskii; S.V. Panyukov; A.I. Buzdin; L.N. Bulaevskii; S.V. Panyukov JETP Lett., 35 (1982), p. 147

[56] A.I. Buzdin; M.Yu. Kupriyanov; A.I. Buzdin; M.Yu. Kupriyanov JETP Lett., 53 (1991), p. 308

[57] E.A. Demler; G.B. Arnold; M.R. Beasley Phys. Rev. B, 55 (1997) no. 15, p. 174

[58] S.M. Frolov, D.J. Van Harlingen, V.A. Oboznov, V.V. Bolginov, V.V. Ryazanov, Phys. Rev. B 70 144505

[59] T. Kontos; M. Aprili; J. Lesueur; F. Genet; B. Stephanidis; R. Boursier Phys. Rev. Lett., 89 (2002), p. 137007

[60] Y. Blum; A. Tsukernik; M. Karpovski; A. Palevski Phys. Rev. Lett., 89 (2002), p. 187004

[61] H. Sellier; C. Baraduc; F. Lefloch; R. Calemczuk Phys. Rev. B, 68 (2003), p. 054531

[62] A. Bauer; J. Bentner; M. Aprili; M.L. Della Rocca; M. Reinwald; W. Wegscheider; C. Strunk Phys. Rev. Lett., 92 (2004), p. 217001

[63] Z. Radovic; M. Ledvij; Lj. Dobrosavljevi-Gruji; A.I. Buzdin; J.R. Clem Phys. Rev. B, 44 (1991), p. 759

[64] L.R. Tagirov Phys. Rev. Lett., 83 (1999), p. 2058

[65] Ya.V. Fominov; N.M. Chtchelkatchev; A.A. Golubov; Ya.V. Fominov; N.M. Chtchelkatchev; A.A. Golubov; Ya.V. Fominov; N.M. Chtchelkatchev; A.A. Golubov Phys. Rev. B, 74 (2001), p. 101

[66] A. Rusanov; R. Boogaard; M. Hesselberth; H. Sellier; J. Aarts Physica C, 36 (2002) no. 9, p. 300

[67] V.V. Ryazanov; V.A. Oboznov; A.S. Prokofiev; S.V. Dubonos JETP Lett., 77 (2003), p. 39

[68] A. Kadigrobov; R.I. Shekhter; M. Jonson; Z.G. Ivanov Phys. Rev. B, 60 (1999), p. 14593

[69] R. Seviour; C.J. Lambert; A.F. Volkov Phys. Rev. B, 59 (1999), p. 6031

[70] M. Leadbeater; C.J. Lambert; K.E. Nagaev; R. Raimondi; A.F. Volkov Phys. Rev. B, 59 (1999), p. 12264

[71] F.S. Bergeret; K.B. Efetov; A.I. Larkin; F.S. Bergeret; A.F. Volkov; K.B. Efetov Phys. Rev. Lett., 62 (2000), p. 11872

[72] A. Kadigrobov; R.I. Shekhter; M. Jonson Europhys. Lett., 54 (2001), p. 394

[73] A. Buzdin Phys. Rev. B, 62 (2000) no. 11, p. 377

[74] M. Zareyan; W. Belzig; Yu.V. Nazarov; M. Zareyan; W. Belzig; Yu.V. Nazarov Phys. Rev. B, 86 (2001), p. 308

[75] A.I. Baladie; A. Buzdin Phys. Rev. B, 64 (2001), p. 224514

[76] F.S. Bergeret; A.F. Volkov; K.B. Efetov Phys. Rev. B, 65 (2002), p. 134505

[77] A.A. Golubov; M.Yu. Kupriyanov; Ya.V. Fominov JETP Lett., 75 (2002), p. 223

[78] V.N. Krivoruchko; E.A. Koshina Phys. Rev. B, 66 (2002), p. 014521

[79] T. Kontos; M. Aprili; J. Lesueur; X. Grison; T. Kontos; M. Aprili; J. Lesueur; X. Grison; L. Dumoulin Phys. Rev. Lett., 86 (2001), p. 304

[80] T. Yokoyama; Y. Tanaka; A.A. Golubov Phys. Rev. B, 72 (2005), p. 052512

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