Reflexión de Andreev

La reflexión de Andreev , que recibe su nombre del físico ruso Alexander F. Andreev , es un tipo de dispersión de partículas que ocurre en las interfaces entre un superconductor (S) y un material en estado normal (N). Se trata de un proceso de transferencia de carga mediante el cual la corriente normal en N se convierte en supercorriente en S. Cada reflexión de Andreev transfiere una carga de 2e a través de la interfaz, evitando la transmisión de partículas individuales prohibida dentro de la brecha de energía superconductora .

Este efecto se denomina generalmente reflexión de Andreev, pero a veces se le llama 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 la incidencia de un electrón en la interfaz, proveniente del material en estado normal, con energías inferiores a la brecha de energía superconductora . El electrón incidente forma un par de Cooper en el superconductor, con la retroreflexión de un hueco de espín y velocidad opuestos, pero con momento igual al del electrón incidente, como se muestra en la figura. Se asume una alta transparencia de la barrera, sin óxido ni capa túnel, lo que reduce los casos de dispersión normal electrón-electrón o hueco-hueco en la interfaz. Dado que el par consta de un electrón con espín hacia arriba y otro con espín hacia abajo , un segundo electrón con espín opuesto al del electrón incidente, proveniente del estado normal, forma el par en el superconductor y, por lo tanto, el hueco retroreflejado. Gracias a la simetría de inversión temporal, el proceso con un electrón incidente también funciona con un hueco incidente (y el electrón retroreflejado).

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

La dependencia del espín en la reflexión de Andreev da lugar a la técnica de reflexión de Andreev por contacto puntual, en la que 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. Al aplicar un voltaje a la punta y medir la conductancia diferencial entre esta y la muestra, se puede determinar la polarización de espín del metal normal en ese punto (y campo magnético). Esto resulta útil en tareas como la medición de corrientes polarizadas por espín o la caracterización de la polarización de espín de capas de materiales o muestras masivas, así como los efectos de los campos magnéticos sobre 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 espacialmente separados forman dos uniones separadas con un superconductor, con una separación de unión del orden de la longitud de coherencia superconductora BCS del material en cuestión. En un dispositivo de este tipo, la retroreflexión del hueco de un proceso de reflexión de Andreev, resultante de un electrón incidente con energías menores que la brecha superconductora en un contacto, ocurre en el segundo contacto normal espacialmente separado 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 ferromagneto, esto puede garantizarse creando una polarización de espín opuesta mediante la aplicación de un campo magnético a electrodos normales de diferente coercitividad .

La reflexión de Andreev cruzada compite con el cotúnel elástico, el efecto túnel cuántico de electrones entre los electrodos 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 cotúnel elástico, lo que dificulta su detección. Además, puede producirse reflexión de Andreev normal en cualquiera de las interfaces, junto con otros procesos de dispersión de electrones normales en la interfaz entre el electrodo normal y el superconductor.

Este proceso resulta de interés en la formación de entrelazamiento cuántico de estado sólido , mediante la formación de un par electrón-hueco (de Andreev) entrelazado y espacialmente separado, 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 de efecto túnel en microconstricciones superconductoras: Corriente de exceso, desequilibrio de carga y conversión de 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 . Bibcode : 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 contacto puntual 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 resistencia?". Fenómenos mesoscópicos cuánticos y dispositivos mesoscópicos en microelectrónica . Vol.  559. pp. 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. S2CID 14111103 .