アンドレーエフの反省

アンドレーエフ反射は、ロシアの物理学者アレクサンダー・F・アンドレーエフにちなんで名付けられた、超伝導体(S) と常伝導物質 (N)の界面で発生する粒子散乱の一種です。これは、N の常電流が S の超伝導電流に変換される電荷移動プロセスです。各アンドレーエフ反射は、界面を横切って電荷2e を移動し、超伝導エネルギーギャップ内での禁制の単一粒子伝送を回避します。

この効果は一般にアンドレーエフ反射と呼ばれていますが、1960年代初頭にサンジェームスとドジェンヌ、そしてアンドレーエフによって独立に予測されていたため、アンドレーエフ・サンジェームス反射とも呼ばれています。^[1]

概要

このプロセスには、超伝導エネルギーギャップ未満のエネルギーで常伝導物質から界面に入射する電子が関与する。図に示すように、入射電子は、入射電子とは反対のスピンと速度を持ち、運動量が等しい正孔の再帰反射によって超伝導体内にクーパー対を形成する。障壁の透明性は高く、酸化物やトンネル層がないと想定されるため、界面での通常の電子間または正孔間散乱の発生が低減する。この対は上向きスピン電子と下向きスピン電子で構成されているため、常伝導体からの入射電子とは反対のスピンを持つ 2 番目の電子が超伝導体内で対を形成し、再帰反射された正孔が形成される。時間反転対称性により、入射電子によるプロセスは、入射正孔 (および再帰反射された電子) でも機能する。

このプロセスはスピンに大きく依存します。常伝導状態の物質で伝導電子が占めるスピンバンドが 1 つだけの場合 (つまり、完全にスピン偏極している場合)、超伝導体で対を形成できず、単一粒子の伝達が不可能なため、アンドレーエフ反射は抑制されます。スピン偏極が存在するか、磁場によって誘導される可能性がある強磁性体または物質では、アンドレーエフ反射の強度 (したがって、接合部の伝導性) は、常伝導状態のスピン偏極の関数になります。

アンドレーエフ反射のスピン依存性から、点接触アンドレーエフ反射法が生まれました。この方法では、狭い超伝導チップ（多くの場合、ニオブ、アンチモン、鉛）をチップの臨界温度以下の温度で通常の材料と接触させます。チップに電圧をかけて、チップとサンプル間の微分コンダクタンスを測定することで、その点（および磁場）での通常の金属のスピン偏極を判定できます。これは、スピン偏極電流の測定、材料層またはバルクサンプルのスピン偏極の特性評価、およびそのような特性に対する磁場の影響などのタスクに役立ちます。

アンドレーエフ過程において、電子と正孔の位相差は、−π/2に超伝導秩序パラメータの位相を加えたものになります。

交差したアンドレーエフの反射

交差アンドレーエフ反射は非局所アンドレーエフ反射とも呼ばれ、空間的に離れた常伝導物質の電極が2つ、超伝導体と別個の接合を形成するときに発生します。接合の分離は、問題の物質のBCS超伝導コヒーレンス長のオーダーです。このようなデバイスでは、1つのリードでの超伝導ギャップよりも低いエネルギーでの入射電子によって生じるアンドレーエフ反射プロセスからのホールの再帰反射が、空間的に離れた2番目の通常のリードで発生し、通常のアンドレーエフ反射プロセスの場合と同じ電荷移動が超伝導体のクーパー対に発生します。^[2]交差アンドレーエフ反射が発生するには、反対のスピンの電子が各通常の電極に存在する必要があります（超伝導体で対を形成するため）。通常の物質が強磁性体の場合、異なる保磁力の通常の電極に磁場を印加して反対のスピン分極を作成することでこれを保証できます。

交差アンドレーエフ反射は、超伝導体の中間状態を介した通常の電極間の電子の量子力学的トンネル効果である弾性コトンネリングと競合して発生します。このプロセスは電子スピンを保存します。そのため、一方の電極に電流を流したときにもう一方の電極で検出可能な電位が、競合する弾性コトンネリングプロセスによってマスクされ、明確な検出が困難になる場合があります。さらに、通常のアンドレーエフ反射は、通常の/超伝導体インターフェイスからの他の通常の電子散乱プロセスと連動して、どちらのインターフェイスでも発生する可能性があります。

このプロセスは、空間的に分離されたエンタングルされた電子-正孔（アンドレーエフ）対の形成を介した固体量子エンタングルメントの形成に興味があり、スピントロニクスや量子コンピューティングに応用されています。

参考文献

^ Guy Deutscher (2005 年 3 月). 「Andreev–Saint-James 反射: 銅酸化物超伝導体の探査」Rev. Mod. Phys . 77 (1): 109–135. arXiv : cond-mat/0409225 . Bibcode :2005RvMP...77..109D. doi :10.1103/RevModPhys.77.109.
^ Giuseppe Falci、Denis Feinberg、Frank Hekking (2001 年 4 月)。「マルチプローブハイブリッド構造における超伝導体への相関トンネリング」。Europhysics Letters。54 ( 2): 255–261。arXiv : cond-mat/0011339。Bibcode : 2001EL .....54..255F。doi : 10.1209/ epl /i2001-00303-0。S2CID 250799565 。

さらに読む

書籍

de Gennes, PG (1966).金属と合金の超伝導. ニューヨーク: WA Benjamin. ISBN 978-0-7382-0101-6。
ティンカム、M (2004)。『超伝導入門（第2版）』。ニューヨーク：ドーバー。ISBN 978-0-486-43503-9。

論文

Andreev, AF (1964). 「超伝導体の中間状態の熱伝導率」Sov. Phys. JETP . 19 : 1228.
Blonder, GE; Tinkham, M.; Klapwijk, TM (1982). 「超伝導マイクロコンストリクションにおける金属状態からトンネル状態への移行: 過剰電流、電荷不均衡、および超電流変換」. Phys. Rev. B. 25 ( 7): 4515. Bibcode :1982PhRvB..25.4515B. doi :10.1103/PhysRevB.25.4515.

Octavio, M; Tinkham, M.; Blonder, GE; Klapwijk, TM (1983). 「超伝導狭窄部におけるサブハーモニックエネルギーギャップ構造」. Phys. Rev. B. 27 ( 11): 6739. Bibcode :1983PhRvB..27.6739O. doi :10.1103/PhysRevB.27.6739.

de Jong, MJM; Beenakker, CWJ (1995). 「強磁性体-超伝導体接合におけるアンドレーエフ反射」. Phys. Rev. Lett . 74 (9): 1657–1660. arXiv : cond-mat/9410014 . Bibcode :1995PhRvL..74.1657D. doi :10.1103/PhysRevLett.74.1657. PMID 10059084. S2CID 10784697.

RJ Soulen Jr.; JM Byers; MS Osofsky; B. Nadgorny; T. Ambrose; SF Cheng; et al. (1998). 「超伝導点接触による金属のスピン分極の測定」. Science . 282 (5386): 85–88. Bibcode :1998Sci...282...85S. doi :10.1126/science.282.5386.85. PMID 9756482.

Beenakker, CWJ (2000)。「なぜ金属-超伝導体接合部は抵抗を持つのか？」量子メソスコピック現象とマイクロエレクトロニクスにおけるメソスコピックデバイス。第 559 巻。pp. 51–60。arXiv : cond - mat/9909293。Bibcode :1999cond.mat..9293B。doi : 10.1007/978-94-011-4327-1_4。ISBN 978-0-7923-6626-3.S2CID 14111103 。

[1] Guy Deutscher (2005 年 3 月). 「Andreev–Saint-James 反射: 銅酸化物超伝導体の探査」Rev. Mod. Phys . 77 (1): 109–135. arXiv : cond-mat/0409225 . Bibcode :2005RvMP...77..109D. doi :10.1103/RevModPhys.77.109.

[2] Giuseppe Falci、Denis Feinberg、Frank Hekking (2001 年 4 月)。「マルチプローブハイブリッド構造における超伝導体への相関トンネリング」。Europhysics Letters。54 ( 2): 255–261。arXiv : cond-mat/0011339。Bibcode : 2001EL .....54..255F。doi : 10.1209/ epl /i2001-00303-0。S2CID 250799565 。