Андреевское отражение , названное в честь русского физика Александра Ф. Андреева , представляет собой тип рассеяния частиц , которое происходит на границах раздела между сверхпроводником (S) и материалом в нормальном состоянии (N). Это процесс переноса заряда, при котором нормальный ток в N преобразуется в сверхток в S. Каждое андреевское отражение переносит заряд 2e через границу, избегая запрещенной одночастичной передачи в пределах сверхпроводящей энергетической щели .
Этот эффект обычно называют отражением Андреева, но его также называют отражением Андреева–Сен-Джеймса, поскольку он был предсказан независимо Сен-Джеймсом и де Женном, а также Андреевым в начале шестидесятых годов. [1]
Процесс включает электрон, падающий на интерфейс из материала в нормальном состоянии при энергиях, меньших, чем сверхпроводящая энергетическая щель . Падающий электрон образует куперовскую пару в сверхпроводнике с ретроотражением дырки с противоположным спином и скоростью, но равным импульсу падающего электрона, как показано на рисунке. Предполагается, что прозрачность барьера высокая, без оксидного или туннельного слоя, что уменьшает случаи нормального рассеяния электрон-электрон или дырка-дырка на интерфейсе. Поскольку пара состоит из электрона со спином вверх и вниз , второй электрон со спином, противоположным падающему электрону из нормального состояния, образует пару в сверхпроводнике и, следовательно, ретроотраженную дырку. Благодаря симметрии обращения времени процесс с падающим электроном будет также работать с падающей дыркой (и ретроотраженным электроном).
Процесс сильно зависит от спина – если только одна спиновая зона занята электронами проводимости в нормальном состоянии материала ( т.е. он полностью спин-поляризован), андреевское отражение будет подавлено из-за невозможности образования пары в сверхпроводнике и невозможности одночастичной передачи. В ферромагнетике или материале, где спиновая поляризация существует или может быть вызвана магнитным полем, сила андреевского отражения (и, следовательно, проводимость перехода) является функцией спиновой поляризации в нормальном состоянии.
Спиновая зависимость андреевского отражения приводит к методу точечного контакта андреевского отражения, при котором узкий сверхпроводящий наконечник (часто ниобий , сурьма или свинец ) приводится в контакт с нормальным материалом при температурах ниже критической температуры наконечника. Прикладывая напряжение к наконечнику и измеряя дифференциальную проводимость между ним и образцом, можно определить спиновую поляризацию нормального металла в этой точке (и магнитное поле). Это полезно в таких задачах, как измерение спин-поляризованных токов или характеристика спиновой поляризации слоев материала или объемных образцов, а также влияние магнитных полей на такие свойства.
В процессе Андреева разность фаз между электроном и дыркой равна −π/2 плюс фаза сверхпроводящего параметра порядка .
Перекрестное андреевское отражение, также известное как нелокальное андреевское отражение, происходит, когда два пространственно разделенных электрода из материала с нормальным состоянием образуют два отдельных перехода со сверхпроводником, с разделением переходов порядка длины сверхпроводящей когерентности БКШ рассматриваемого материала. В таком устройстве ретрорефлексия дырки от процесса андреевского отражения, возникающего в результате падающего электрона с энергией, меньшей, чем сверхпроводящая щель на одном выводе, происходит во втором пространственно разделенном нормальном выводе с той же передачей заряда, что и в процессе обычного андреевского отражения к куперовской паре в сверхпроводнике. [2] Для возникновения перекрестного андреевского отражения на каждом нормальном электроде должны существовать электроны с противоположным спином (чтобы образовать пару в сверхпроводнике). Если нормальный материал является ферромагнетиком, это может быть гарантировано путем создания противоположной спиновой поляризации посредством приложения магнитного поля к нормальным электродам с различной коэрцитивностью .
Перекрестное андреевское отражение происходит в конкуренции с упругим котуннелированием, квантово-механическим туннелированием электронов между нормальными проводниками через промежуточное состояние в сверхпроводнике. Этот процесс сохраняет спин электрона. Таким образом, обнаруживаемый потенциал на одном электроде при приложении тока к другому может быть замаскирован конкурирующим упругим котуннелированием, что затрудняет четкое обнаружение. Кроме того, нормальное андреевское отражение может происходить на любом интерфейсе в сочетании с другими нормальными процессами рассеяния электронов от интерфейса нормальный/сверхпроводник.
Этот процесс представляет интерес для формирования твердотельной квантовой запутанности посредством образования пространственно разделенной запутанной электронно-дырочной (андреевской) пары, с приложениями в спинтронике и квантовых вычислениях .