Magnetic resonance in superconducting junctions

par Lars Elster

Thèse de doctorat en Physique théorique

Sous la direction de Julia Meyer et de Manuel Houzet.

Soutenue le 28-09-2016

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut nanosciences et cryogénie (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Yuli V. Nazarov.

Le jury était composé de Clemens Winkelmann.

Les rapporteurs étaient Jérôme Cayssol, Marco Aprili.

  • Titre traduit

    Résonance magnétique dans des jonctions supraconductrices


  • Résumé

    Dans cette thèse, on analyse la possibilité de changer un courant de charge dans des jonctions supraconductrices par une manipulation des propriétés de spin en utilisant la résonance magnétique. On considère deux jonctions différentes: Premièrement, une jonction Josephson non-conventionnelle entre un supraconducteur conventionel de type s et un supraconducteur non-conventionel de type px. Deuxièmement, une jonction entre un demi-métal et un supraconducteur conventionel. La jonction spx contient deux états liés d'Andreev qui sont 2pi-periodiques. Ils donnent lieu à une aimentation spontanée à l'équilibre. Ceci ouvre la possibilité de manipuler l'occupation des niveaux d'Andreev en utilisant un champ magnétique dépendant du temps. On demontre que ce champ induit des oscillations de Rabi cohérentes entre différents états de spin de la jonction. Ces oscillations se manifestent comme des résonances dans la relation courant-phase de la jonction. Pour un champ polarisé circulairement, on trouve une règle de sélection de spin qui autorise des oscillations de Rabi seulement dans un certain interval de phases dans la relation courant-phase permettant une éventuelle détection du spin. De plus, le champ induit des transitions non-cohérentes qui nécessitent la présence d'une quasiparticule dans le continuum d'états. Ces transitions agissent comme processus de recharge et d'ionization pour les niveaux d'Andreev. Pour un champ polarisé circulairement, ces processus induits par le champ ne donnent pas lieu à un mécanisme de relaxation pour les oscillations de Rabi à cause des contraintes en spin et en énergie. Pour un champ polarisé linéairement, il n'y a pas de règle de selection de spin et la largeur des résonances de Rabi dans la relation courant-phase est déterminée par les processus d'ionization induits par le champs. Dans la jonction entre le demi-métal et le supraconducteur conventionel, il n'y a pas de courant pour une aimentation statique, puisque la polarization parfaite en spin du demi-métal interdit les processus de réflexion d'Andreev à l'interface. On demontre que pour une géométrie de point contact, un courant d'Andreev passe, si le demi-métal est soumis à la résonance ferromagnétique. La précession de la direction de l'aimentation dans le demi-métal donne lieu au mécanisme de spin-flip nécessaire. Le courant est forcé par la précession de la direction de l'aimentation qui crée une situation hors équilibre pour les porteurs de charge. De plus, dans un matériau ferromagnétique avec une densité de porteurs minoritaires non-nulle, le courant est réduit et disparaît si les densités majoritaires et minoritaires sont égales. On considère, par ailleurs, une géométrie d'interface étendue, plus réaliste. Pour une jonction ballistique, le courant est augmenté par rapport à la géometrie de point contact, en raison du nombre plus élevé de canaux. De plus, on demontre que le désordre est le plus important dans le matériau ferromagnétique. Le courant d'Andreev à travers la jonction désordonnée est beaucoup plus grand que le courant à travers la jonction ballistique dans la même géométrie.


  • Résumé

    In this thesis we investigate the possibility to change the charge current in superconducting junctions by manipulating the spin properties using magnetic resonance. We consider two different junctions: First, an unconventional Josephson junction between a conventional s-wave superconductor and an unconventional px-wave superconductor and second a half-metal/conventional superconductor junction. The spx junctions hosts two spin-polarized Andreev bound states, which are 2pi-periodic, giving rise to a spontaneous magnetization in equilibrium. This opens the possibility to manipulate the occupations of the Andreev levels using a time-dependent magnetic field. We show that the field induces coherent Rabi oscillations between different spin states of the junction that appear as resonances in the current-phase relation. For a cicularly polarized magnetic field, we find a spin selection rule, giving Rabi oscillations only in a certain range of superconducting phase differences, which provides a spin detection scheme. In contrary, for a linear polarization, there is no spin constraint on the Rabi oscillations. The field also induces non-coherent transitions including continuum states that act as refill and ionization processes for the Andreev levels. For a circularly polarized field, these field-induced processes do not provide a decay mechanism for Rabi oscillations, due to spin and energy constraints. For a linear polarization, the width of the Rabi resonances in the current-phase relation is determined by the field-induced ionization processes. In the half-metal/conventional superconductor junction no Andreev current may flow for a static magnetization direction, since the perfect spin polarization of the half-metal forbids Andreev reflection processes at the interface. We show that an Andreev current flows, if the half-metal is subject to ferromagnetic resonance. The precessing magnetization direction in the half-metal provides the necessary spin-flip mechanism. The current is driven by the precession of the magnetization direction that creates a non-equilibrium situation for the charge carriers. We also show for a point contact geometry that in a ferromagnet with non-zero minority carrier concentration the current is reduced and vanishes at equal minority and majority carrier concentrations. Additionally, we consider a more realistic, extended interface geometry. For a ballistic junction, the current is enhanced compared to a point contact geometry due to the larger number of transport channels. Furthermore, we show that disorder is most important in the ferromagnet. The Andreev current through the disordered junction is much larger than the current through a ballistic junction in the same geometry.


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