Conventional magnetic superconductors: coexistence of singlet superconductivity and magnetic order

Miodrag L. Kulić

doi:10.1016/j.crhy.2005.11.012

Conventional magnetic superconductors: coexistence of singlet superconductivity and magnetic order
[Supraconducteurs magnétiques conventionnels : coexistence de la superconductivité singulet et de l'ordre magnétique]

Miodrag L. Kulić ^1,²

¹ Institute for Theoretical Physics, J.W. Goethe University, Frankfurt/Main, P.O. Box 111932 Frankfurt/Main, Germany
² CPMOH, université Bordeaux and CNRS, 33405 Talence cedex, France

Comptes Rendus. Physique, Superconductivity and magnetism, Volume 7 (2006) no. 1, pp. 4-21.

Résumé
Abstract

Nous passons en revue la physique de base des supraconducteurs magnétiques massifs appliquée au problème de la coexistence de la supraconductivité singulet (SC) et de l'ordre magnétique. L'interelation entre l'interaction d'échange (EX) et l'interaction électromagnétique (EM) est discutée. Nous argumentons sur le fait que la SC singulet et l'ordre ferromagnétique (F) uniforme ne coexistent pratiquement jamais. En cas de coexistence mutuelle, l'ordre F est modifié en une structure spiralée dépendant de l'anistropie magnétique. Il s'avère que cette situation est réalisée dans plusieurs supraconducteurs, notamment dans ErRh₄B₄, HoMo₆S₈, HoMo₆Se₈ avec un ordre électronique et dans AuIn₂ avec un ordre magnétique nucléaire. Ce dernier problème est brièvement discuté.

La coexistence de la SC avec l'antiferromagnétisme (AF) est plus favorable qu'avec l'ordre F modifié. La physique des systémes AF avec SC et ferromagnétisme faible est très intéressante et produit un diagramme de phases très riche.

Les supraconducteurs magnétiques sous champ magnétique présentent certaines propriétés très particulières, notamment au voisinage de la température de transition (ferro)magnétique, température à laquelle le champ critique supérieur devient plus faible que le champ critique thermodynamique.

Nous discutons aussi l'intéressante physique des jonctions Josephson à base de MS avec ordre magnétique spiral. L'existence d'une amplitude d'appariement triplet $F_{↑ ↑}$ ( $F_{↓ ↓}$ ) dans les MS avec aimantation tournante (effet récemment redécouvert dans les jonction SFS) donne lieu au « contact π ». En outre, l'interaction entre phases supraconductrice et magnétique dans un tel contact ouvre la voie à la réalisation de qubits Josephson couplés dans une jonction Josepson unique.

The basic physics of bulk magnetic superconductors (MS), related to the problem of the coexistence of singlet superconductivity (SC) and magnetic order, is reviewed. The interplay between the exchange (EX) and electromagnetic (EM) interaction is discussed. It is argued that the singlet SC and uniform ferromagnetic (F) order practically never coexist. In the case of their mutual coexistence the F order is modified into a domain-like or spiral structure depending on magnetic anisotropy. It turns out that this situation occurs in several superconductors such as ErRh₄B₄, HoMo₆S₈, HoMo₆Se₈ with electronic and in AuIn₂ with nuclear magnetic order. The latter problem is briefly discussed.

The coexistence of SC with antiferromagnetism (AF) is more favorable than with the modified F order. Very interesting physics is realized in AF systems with SC and weak-ferromagnetism which results in an very rich phase diagram.

A number of properties of magnetic superconductors in magnetic field are very peculiar, especially near the (ferro)magnetic transition temperature, where the upper critical field becomes smaller than the thermodynamical critical field.

The interesting physics of Josephson junctions based on MS with spiral magnetic order is also discussed. The existence of the triplet pairing amplitude $F_{↑ ↑}$ ( $F_{↓ ↓}$ ) in MS with rotating magnetization (the effect recently rediscovered in SFS junctions) gives rise to the so called π-contact. Furthermore, the interplay of the superconducting and magnetic phase in such a contact renders possible a new type of coupled Josephson-qubits in a single Josephson junction.

Publié le : 2006-01-01

DOI : 10.1016/j.crhy.2005.11.012

Keywords: Superconductivity, Coexistence, Magnetic order, Triplet amplitude, π-Josephson contact, Qubits
Mots-clés : Superconductivité, Coexistence, Ordre magnétique, Amplitude d'appariement triplet, Contact Josephson π, Qubits

Affiliations des auteurs :

Miodrag L. Kulić ^{1, 2}

¹ Institute for Theoretical Physics, J.W. Goethe University, Frankfurt/Main, P.O. Box 111932 Frankfurt/Main, Germany
² CPMOH, université Bordeaux and CNRS, 33405 Talence cedex, France

@article{CRPHYS_2006__7_1_4_0,
     author = {Miodrag L. Kuli\'c},
     title = {Conventional magnetic superconductors: coexistence of singlet superconductivity and magnetic order},
     journal = {Comptes Rendus. Physique},
     pages = {4--21},
     publisher = {Elsevier},
     volume = {7},
     number = {1},
     year = {2006},
     doi = {10.1016/j.crhy.2005.11.012},
     language = {en},
}

TY  - JOUR
AU  - Miodrag L. Kulić
TI  - Conventional magnetic superconductors: coexistence of singlet superconductivity and magnetic order
JO  - Comptes Rendus. Physique
PY  - 2006
SP  - 4
EP  - 21
VL  - 7
IS  - 1
PB  - Elsevier
DO  - 10.1016/j.crhy.2005.11.012
LA  - en
ID  - CRPHYS_2006__7_1_4_0
ER  -

%0 Journal Article
%A Miodrag L. Kulić
%T Conventional magnetic superconductors: coexistence of singlet superconductivity and magnetic order
%J Comptes Rendus. Physique
%D 2006
%P 4-21
%V 7
%N 1
%I Elsevier
%R 10.1016/j.crhy.2005.11.012
%G en
%F CRPHYS_2006__7_1_4_0

Miodrag L. Kulić. Conventional magnetic superconductors: coexistence of singlet superconductivity and magnetic order. Comptes Rendus. Physique, Superconductivity and magnetism, Volume 7 (2006) no. 1, pp. 4-21. doi : 10.1016/j.crhy.2005.11.012. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2005.11.012/

Bibliographie
Cité par

[1] V.L. Ginzburg Zh. Eksp. Teor. Fiz., 31 (1956), p. 202

[2] Superconductivity and Magnetism (M.B. Maple; Ø. Fischer, eds.), Springer-Verlag, Berlin, 1982

[3] P. Fulde; J. Keller Superconductivity and Magnetism (M.B. Maple; Ø. Fischer, eds.), Springer-Verlag, Berlin, 1982, p. 249 (Chapter 9)

[4] A.I. Buzdin; L.N. Bulaevskii; M.L. Kulić; S.V. Panyukov Adv. Phys., 34 (1985), p. 176

[5] L.N. Bulaevskii; M.L. Kulić; A.I. Rusinov; L.N. Bulaevskii; M.L. Kulić; A.I. Rusinov J. Low T. Phys., 30 (1979), p. 59

[6] S. Rehmann; T. Herrmannsdörfer; F. Pobell Phys. Rev. Lett., 78 (1997), p. 1122

[7] M.L. Kulić; L.N. Bulaevskii; A.I. Buzdin Phys. Rev. B, 56 (1997), p. R11415

[8] M.L. Kulić; I.M. Kulić Phys. Rev. B, 63 (2001), p. 104503

[9] M.L. Kulić, I.M. Kulić, in preparation (2005)

[10] V.V. Ryazanov et al. Phys. Rev. Lett., 86 (2001), p. 2427

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

[12] A.I. Buzdin Rev. Mod. Phys., 77 (2005), p. 935

[13] M. Baltensperger; S. Strässler Phys. Kondens. Mat., 1 (1963), p. 20

[14] G. Zwicknagel; P. Fulde Z. Phys., 43 (1981), p. 23

[15] D. Rainer Z. Phys., 252 (1972), p. 174

[16] A.I. Buzdin; L.N. Bulaevskii Sov. Phys. Uspekhi, 29 (1986), p. 412

[17] P.W. Anderson; H. Suhl Phys. Rev., 116 (1959), p. 898

[18] M. Kaufman; O. Entin-Wohlman Physica, 84 (1976), p. 77

[19] L.N. Bulaevskii; A.I. Buzdin; M.L. Kulić; S.V. Panyukov Phys. Rev. B, 28 (1983), p. 1370

[20] A.I. Buzdin, Dissertation, MGU Lomonosov, 1987

[21] K.B. Blagoev; et al.; K.B. Blagoev; et al.; N.I. Karchev et al. Phys. Rev. Lett., 82 (1999), p. 133

[22] K.H. Bennemann; M.L. Kulić; P. Stampfli Solid State Comm., 64 (1987), p. 1359

[23] L.N. Bulaevskii; A.I. Buzdin; M.L. Kulić Phys. Rev. B, 34 (1986), p. 4928

[24] U. Krey; U. Krey Int. J. Magn., 3 (1973), p. 65

[25] H.S. Greenside; E.I. Blount; C.M. Varma; M. Tachiki Physica B, 46 (1981), p. 49

[26] Yu.V. Kopaev Fizika Tverd. Tela B, 7 (1965), p. 2907 (in Russian)

[27] M.L. Kulić Phys. Lett. A, 83 (1981), p. 4928

[28] A.I. Buzdin; L.N. Bulaevskii; S.V. Panyukov JETP, 87 (1984), p. 299

[29] A.I. Morozov Fiz. Tverd. Tela, 22 (1980), p. 3372 (in Russian)

[30] M.I. Nass; K. Levin; G.S. Grest Phys. Rev. Lett., 46 (1981), p. 614

[31] A.I. Buzdin; L.N. Bulaevskii; S.S. Krotov Solid State Comm., 48 (1983), p. 719

[32] N.R. Werthamer; E. Helfland; P.C. Hohenberg Phys. Rev., 147 (1966), p. 295

[33] L.W. Gruenberg; L. Guˇnther Phys. Rev. Lett., 16 (1966), p. 996

[34] P. Fulde; R.A. Ferrell Phys. Rev., 135 (1964), p. A550

[35] A.I. Larkin; Yu.N. Ovchinikov Sov. Phys. JETP, 47 (1964), p. 1136

[36] F.S. Bergeret; A.F. Volkov; K.B. Efetov Phys. Rev. Lett., 86 (2001), p. 4096

[37] L.N. Bulaevskii; V.V. Kuzii; A.A. Sobyanin; L.N. Bulaevskii; V.V. Kuzii; A.A. Sobyanin Solid State Comm., 25 (1977), p. 290

[38] Y. Makhlin; G. Schön; A. Shnirman Rev. Mod. Phys., 73 (2001), p. 357

Cité par Sources :

Commentaires - Politique