Andreev reflektion

En elektron (röd) som möter gränssnittet mellan en normalledare (N) och en supraledare (S) producerar ett Cooper-par i supraledaren och ett retroreflekterat hål (grönt) i normalledaren. Vertikala pilar indikerar spinnbandet som upptas av varje partikel.

Andreev-reflektion ( AR ), uppkallad efter den ryske fysikern Alexander F. Andreev , är en typ av partikelspridning som sker vid gränssnitten mellan en supraledare (S) och ett normaltillståndsmaterial (N). Det är en laddningsöverföringsprocess genom vilken normal ström i N omvandlas till superström i S. Varje Andreev-reflektion överför en laddning 2e över gränssnittet, vilket undviker den förbjudna enpartikelöverföringen inom det supraledande energigapet .

Översikt

Processen involverar en elektron (hål) som infaller på gränssnittet från det normala tillståndsmaterialet vid energier mindre än det supraledande energigapet . Den infallande elektronen (hålet) bildar ett Cooper-par i supraledaren med retroreflektion av ett hål (elektron) med motsatt spinn och hastighet men lika momentum som den infallande elektronen (hålet), som ses i figuren. Barriärtransparensen antas vara hög, utan oxid- eller tunnelskikt vilket minskar förekomsten av normal elektron-elektron- eller hål-hålspridning vid gränsytan. Eftersom paret består av en uppåt- och nedåtspinningselektron , bildar en andra elektron (hål) med motsatt spinn till den infallande elektronen (hålet) från det normala tillståndet paret i supraledaren, och därmed det retroreflekterade hålet (elektronen). Genom tidsomkastningssymmetri kommer processen med en infallande elektron också att fungera med ett infallande hål (och retroreflekterad elektron).

Processen är mycket spinnberoende – om bara ett spinnband är upptaget av ledningselektronerna i normaltillståndsmaterialet (dvs det är helt spinnpolariserat) kommer Andreevs reflektion att hämmas på grund av oförmåga att bilda ett par i supraledaren och omöjligheten av enpartikelöverföring. I en ferromagnet eller material där spinnpolarisering existerar eller kan induceras av ett magnetiskt fält, är styrkan hos Andreevs reflektion (och därmed konduktansen av korsningen) en funktion av spin-polarisationen i normalt tillstånd.

Spin-beroendet av AR ger upphov till Point Contact Andreev Reflection (eller PCAR) tekniken, varvid en smal supraledande spets (ofta niob , antimon eller bly ) placeras i kontakt med ett normalt material vid temperaturer under spetsens kritiska temperatur . . Genom att applicera en spänning på spetsen och mäta differentiell konduktans mellan den och provet, kan spinpolarisationen av den normala metallen vid den punkten (och magnetfältet) bestämmas. Detta är användbart i sådana uppgifter som mätning av spinnpolariserade strömmar eller karakterisering av spinnpolarisering av materialskikt eller bulkprover, och effekterna av magnetiska fält på sådana egenskaper.

I en AR-process är fasskillnaden mellan elektronen och hålet −π/2 plus fasen för den supraledande ordningens parameter .

Korsade Andreev reflektion

Korsad Andreev-reflektion, eller CAR, även känd som icke-lokal Andreev-reflektion uppstår när två rumsligt separerade normaltillståndsmaterialelektroder bildar två separata förbindelser med en supraledare, med förbindelseseparationen i storleksordningen BCS supraledande koherenslängd för materialet i fråga. . I en sådan anordning inträffar retroreflektion av hålet från en Andreev-reflektionsprocess, som är ett resultat av en infallande elektron vid energier mindre än det supraledande gapet vid en ledning, i den andra rumsligt separerade normalledningen med samma laddningsöverföring som i en normal AR-process till ett Cooper-par i supraledaren. För att CAR ska uppstå måste elektroner med motsatt spinn finnas vid varje normal elektrod (för att bilda paret i supraledaren). Om det normala materialet är en ferromagnet kan detta garanteras genom att skapa motsatt spinnpolarisering genom applicering av ett magnetfält på normala elektroder med olika koercitivitet .

CAR uppstår i konkurrens med elastisk cotunneling eller EC, den kvantmekaniska tunnlingen av elektroner mellan de normala ledningarna via ett mellantillstånd i supraledaren. Denna process bevarar elektronspin. Som sådan kan en detekterbar CAR-potential vid en elektrod vid applicering av ström till den andra maskeras av den konkurrerande EC-processen, vilket gör tydlig detektering svår. Dessutom kan normal Andreev-reflektion förekomma vid båda gränssnitten, i samband med andra normala elektronspridningsprocesser från normal/supraledargränssnittet.

Processen är av intresse för bildandet av solid-state quantum entanglement , via bildandet av ett rumsligt separerat intrasslat elektron-hål (Andreev) par, med tillämpningar inom spintronik och quantum computing .

Vidare läsning

Böcker
Papper
  • Andreev, AF (1964). "Värmeledningsförmåga för supraledares mellantillstånd". Sov. Phys. JETP . 19 :1228.
  • Blonder, GE; Tinkham, M.; Klapwijk, TM (1982). "Övergång från metalliska till tunnelsystem i supraledande mikrokonstriktioner: Överskottsström, laddningsobalans och superströmomvandling". Phys. Rev. B. 25 (7): 4515. Bibcode : 1982PhRvB..25.4515B . doi : 10.1103/PhysRevB.25.4515 .