Reflexión de Andreev

La reflexión de Andreev , llamada así en honor al físico ruso Alexander F. Andreev , es un tipo de dispersión de partículas que se produce en las interfaces entre un superconductor (S) y un material en estado normal (N). Es un proceso de transferencia de carga por el cual la corriente normal en N se convierte en supercorriente en S. Cada reflexión de Andreev transfiere una carga 2e a través de la interfaz, evitando la transmisión prohibida de partículas individuales dentro del espacio de energía superconductor .

Este efecto se denomina generalmente reflexión de Andreev, pero también se le conoce como reflexión de Andreev-Saint-James, ya que fue predicho independientemente por Saint-James y de Gennes y por Andreev a principios de los años sesenta. ^[1]

El proceso implica un electrón incidente en la interfaz desde el material en estado normal a energías menores que la brecha de energía superconductor . El electrón incidente forma un par de Cooper en el superconductor con la retrorreflexión de un hueco de espín y velocidad opuestos pero con momento igual al del electrón incidente, como se ve en la figura. Se supone que la transparencia de la barrera es alta, sin óxido ni capa de túnel que reduzca los casos de dispersión normal electrón-electrón o hueco-hueco en la interfaz. Dado que el par consiste en un electrón de espín hacia arriba y hacia abajo , un segundo electrón de espín opuesto al electrón incidente desde el estado normal forma el par en el superconductor y, por lo tanto, el hueco retrorreflejado. A través de la simetría de inversión temporal, el proceso con un electrón incidente también funcionará con un hueco incidente (y un electrón retrorreflejado).

El proceso depende en gran medida del espín: si solo una banda de espín está ocupada por los electrones de conducción en el material en estado normal ( es decir , está completamente polarizado por espín), la reflexión de Andreev se inhibirá debido a la incapacidad de formar un par en el superconductor y la imposibilidad de transmisión de una sola partícula. En un ferroimán o material donde existe polarización de espín o puede ser inducida por un campo magnético, la fuerza de la reflexión de Andreev (y, por lo tanto, la conductancia de la unión) es una función de la polarización de espín en el estado normal.

La dependencia del espín de la reflexión de Andreev da lugar a la técnica de reflexión de Andreev de contacto puntual, mediante la cual una punta superconductora estrecha (a menudo de niobio , antimonio o plomo ) se coloca en contacto con un material normal a temperaturas inferiores a la temperatura crítica de la punta. Aplicando un voltaje a la punta y midiendo la conductancia diferencial entre ella y la muestra, se puede determinar la polarización del espín del metal normal en ese punto (y el campo magnético). Esto es útil en tareas tales como la medición de corrientes polarizadas por espín o la caracterización de la polarización del espín de capas de material o muestras a granel, y los efectos de los campos magnéticos en dichas propiedades.

En un proceso de Andreev, la diferencia de fase entre el electrón y el hueco es −π/2 más la fase del parámetro de orden superconductor .

La reflexión de Andreev cruzada, también conocida como reflexión de Andreev no local, ocurre cuando dos electrodos de material en estado normal separados espacialmente forman dos uniones separadas con un superconductor, con la separación de la unión del orden de la longitud de coherencia superconductora BCS del material en cuestión. En un dispositivo de este tipo, la retrorreflexión del hueco de un proceso de reflexión de Andreev, resultante de un electrón incidente a energías menores que el hueco superconductor en un cable, ocurre en el segundo cable normal separado espacialmente con la misma transferencia de carga que en un proceso de reflexión de Andreev normal a un par de Cooper en el superconductor. ^[2] Para que ocurra la reflexión de Andreev cruzada, deben existir electrones de espín opuesto en cada electrodo normal (para formar el par en el superconductor). Si el material normal es un ferroimán, esto se puede garantizar creando una polarización de espín opuesto mediante la aplicación de un campo magnético a electrodos normales de diferente coercitividad .

La reflexión de Andreev cruzada se produce en competencia con el co-tunelado elástico, la tunelización mecánica cuántica de electrones entre los conductores normales a través de un estado intermedio en el superconductor. Este proceso conserva el espín del electrón. Por lo tanto, un potencial detectable en un electrodo al aplicar corriente al otro puede quedar enmascarado por el proceso de co-tunelado elástico que compite con él, lo que dificulta su detección clara. Además, la reflexión de Andreev normal puede producirse en cualquiera de las interfaces, junto con otros procesos normales de dispersión de electrones desde la interfaz normal/superconductor.

El proceso es de interés en la formación de entrelazamiento cuántico de estado sólido , a través de la formación de un par electrón-hueco entrelazado espacialmente separado (Andreev), con aplicaciones en espintrónica y computación cuántica .

Libros

• de Gennes, PG (1966). Superconductividad de metales y aleaciones . Nueva York: WA Benjamin. ISBN 978-0-7382-0101-6.
• Tinkham, M (2004). Introducción a la superconductividad (segunda edición). Nueva York: Dover. ISBN 978-0-486-43503-9.

Papeles

• Andreev, AF (1964). "Conductividad térmica del estado intermedio de los superconductores". Sov. Phys. JETP . 19 : 1228.
• Blonder, GE; Tinkham, M.; Klapwijk, TM (1982). "Transición de regímenes metálicos a tuneladores en microconstricciones superconductoras: exceso de corriente, desequilibrio de carga y conversión a supercorriente". 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). "Estructura de brecha de energía subarmónica en constricciones superconductoras". Phys. Rev. B . 27 (11): 6739. Bibcode :1983PhRvB..27.6739O. doi :10.1103/PhysRevB.27.6739.

• de Jong, MJM; Beenakker, CWJ (1995). "Reflexión de Andreev en uniones ferromagnéticas-superconductoras". Phys. Rev. Lett . 74 (9): 1657–1660. arXiv : cond-mat/9410014 . Código Bibliográfico :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). "Medición de la polarización de espín de un metal con un punto de contacto superconductor". Science . 282 (5386): 85–88. Bibcode :1998Sci...282...85S. doi :10.1126/science.282.5386.85. PMID  9756482.

• Beenakker, CWJ (2000). "¿Por qué una unión metal-superconductor tiene una resistencia?". Fenómenos mesoscópicos cuánticos y dispositivos mesoscópicos en microelectrónica . 559 : 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.S2CID14111103  .​