强自旋偏振杂化结构中量子几何电荷与自旋 Josephson 二极管效应理论

我们系统研究了强自旋偏振铁磁体（sFM）通过铁磁绝缘界面（FI）耦合到单瓣超导体（SC）时的自旋分辨率 Josephson 二极管效应（JDE）。所有金属部分均基于适用于扩散系统的准经典 Usadel 绿函数理论进行描述。界面由模型势的 S 矩阵描述，其交换向量可指向 sFM 磁化方向的任意方向。我们的理论预测可实现效率超过 $33\%$ 的大电荷 Josephson 二极管效应和 $100\%$ 效率的完美自旋二极管效应。要实现这些效果，需满足以下条件：(i) 系统中三个磁化矢量呈非平面配置，(ii) 通过强自旋偏振实现 sFM 中自旋 $\uparrow$ 和自旋 $\downarrow$ 能带态密度的差异。前者导致量子几何相位 $\Delta\varphi$ 产生，其在理论中的引入方式与超导体界面相位差 $\Delta\chi$ 类似。我们对 Josephson 电流在两个变量中的谐和分析，发现傅里叶系数之间的对称性，可解释为多个等自旋库仑对在两个铁磁自旋带中的传递过程。我们指出越过配对传递过程的重要性。最后，我们研究了通过反转 SQUID 装置中的磁通来实现等自旋超导电流的自旋开关效应，并提出了测量该效应的方法。