非中心对称超导体中的约瑟夫森效应

This project concerns the theory of the Josephson effect in junctions based on noncentrosymmetric superconductors. Because spin-singlet s (or.d)-wave pairing is mixed with spin-triplet p (or f)-wave pairing due to spin-orbit coupling, we could expect a strong interplay between charge and spin supercurrents and potential applications in Josephson-junction-based spintronics. The existence of topologically protected flat zero-energy surface bands was recently.predicted in nodal noncentrosymmetric superconductors. We are motivated to explore the influence of these zero-energy surface states on the charge supercurrent and spin supercurrent in noncentrosymmetric-superconductor Josephson junctions and potential applications in spintronics. We expect to see a low-temperature anomaly in the critical charge current. When a noncentrosymmetric-superconductor Josephson junction is realized by a ferromagnetic barrier, the physics become particularly rich. $0$-$\pi$ transitions or even continuously tunable equilibrium phase differences can exist. Furthermore, junctions between noncentrosymmetric superconductors of different point group symmetry and the case of moderate to strong spin-orbit coupling will also be explored.

本项目将致力于基于非中心对称超导体的约瑟夫森结中约瑟夫森效应的理论研究。由于在非中心对称超导体中，自旋单态与自旋三重态的电子配对相互混合，基于非中心超导体的约瑟夫森结中的电荷超流与自旋超流将会发生很强的耦合，并提供可能的自旋电子学应用。非中心对称超导体中存在的受拓扑保护的零能表面态，成为最近本领域的研究热点。本项目将考察这些表面态对约瑟夫森电荷超流以及自旋超流的影响，并借此探察可能的自旋电子学应用。临界电荷超流的低温反常将是最直接的效应。当非中心对称超导体约瑟夫森结中间的耦合材料是铁磁材料时，将会出现更加丰富的自旋相关的约瑟夫森物理现象。可能产生约瑟夫森结的0-pi相变甚至可连续调控的平衡相位差。另外，由具有不同点群对称性的非中心对称超导体组成的约瑟夫森结以及强自旋轨道耦合作用下的情形也是本项目要研究的课题。

本项目研究非中心对称超导体的约瑟夫森效应以及可能的自旋电子学应用。在非中心对称超导体中，理论预测自旋轨道耦合使得自旋单态与自旋三重态的电子配对共存，约瑟夫森效应因此变得非常有趣。越来越多的材料被发现是非中心对称超导体，但实验上自旋三重态存在的证据还没有。类似地，自旋轨道耦合在石墨烯中也会有许多与普通半导体中不同的新奇效应，可用于基于石墨烯的自旋电子学应用。本项目的主要研究内容是非中心对称超导体中的反常约瑟夫森效应以及石墨烯中Rashba自旋轨道耦合在自旋电子学方面的应用。.主要结果及意义包括自旋电子学以及非中心对称超导体两方面。在自旋电子学方面， 我们发现Rashba自旋轨道耦合可在石墨烯中产生自旋极化流以及纯的自旋流，为发展基于石墨烯的自旋电子器件铺平道路。在非中心对称超导体方面，我们发现了非中心对称超导体中实现反常约瑟夫森效应的两种方式。反常约瑟夫森效应的实验验证将可确定证实自旋三重态配对的存在。并且，非中心对称超导体中自旋单态与自旋三重态的成分比也可由反常约瑟夫森效应的基态相差直接确定。另外，在约瑟夫森物理本身，我们也有两个具有重要理论意义的发现。一是非中心对称超导体中的0-pi相变有着非常奇异的性质，与传统的0-pi相变不同。二是我们发现了适当参数下非中心对称超导体中的一中奇特的约瑟夫森效应，约瑟夫森流不由Andreev束缚态提供，而是由连续的散射态来提供。这些发现不仅具有自旋电子学、超导电子学、非中心对称超导体方面重要的应用价值，而且还具有约瑟夫森物理方面重要的理论意义。