Влияние анизотропии зазора в p‑волновых сверхпроводниках Полярного и Андерсона‑Бринкмана‑Мореля на термоэлектрические свойства гибридов с квантовой точкой

Превращение тепла в электричество с помощью экзотических сверхпроводников

Представьте крошечный «островок» для электронов, настолько маленький, что он ведёт себя скорее как отдельный атом, чем как кусок металла. Подсоедините этот островок к одному контакту, который отдаёт предпочтение одному спиновому направлению, и к другому контакту из необычного сверхпроводника. В этой работе исследуется, как такое наноустройство может эффективнее превращать тепло в электричество и одновременно выявлять скрытые особенности редкого класса сверхпроводников, которые, как предполагают, могут поддерживать экзотические квазичастицы, например моды Майораны.

Крошечный мост между двумя очень разными мирами

Система в центре исследования — квантовая точка, «искусственный атом» наномасштаба — связана с одной стороны с ферромагнитным металлом, а с другой — с p‑волновым спин‑триплетным сверхпроводником. В ферромагнете электроны с одним направлением спина встречаются чаще, чем с другим, тогда как в триплетном сверхпроводнике электроны образуют пары с параллельными спинами и с сильно зависимым от направления энергетическим зазором. Авторы сосредотачиваются на двух классических шаблонах p‑волнового порядка: Полярном состоянии, где зазор максимален вдоль одной оси и исчезает по кольцу, и состоянии Андерсона‑Бринкмана‑Мореля (ABM) или хиральном состоянии, где зазор максимален в экваториальной полосе и падает до нуля в двух полюсах. Поскольку квантовая точка выступает как одиночный настраиваемый энергетический уровень, она даёт очень чистый способ увидеть, как эти направленные зазоры влияют на поток заряда и тепла.

Почему направление важно для электронных пар

В обычных сверхпроводниках энергетический зазор одинаков во всех направлениях, поэтому упрощённые модели часто игнорируют детальную зависимость от импульса. Для p‑волновых сверхпроводников такое уже невозможно: зазор сильно зависит от направления движения электрона, что ведёт к узловым областям, где зазор исчезает. Чтобы учесть это, авторы вводят углово‑зависимый «вес» в связи между квантовой точкой и сверхпроводником. Эффективно отдавая приоритет электронам, входящим в сверхпроводник в пределах узкого конуса направлений, они моделируют более чистый, ориентированный интерфейс. Затем сравниваются две геометрии: одна, где главная ось симметрии сверхпроводника выровнена по направлению туннелирования (параллельно), и другая, где она перпендикулярна. Контроль ориентации оказывается мощным рычагом для включения или отключения различных транспортных каналов.

Конкурирующие пути для заряда и тепла

Электроны могут пересекать устройство двумя основными способами. Первый — обычный туннельный перенос квазичастиц: один электрон проходит через точку в доступные состояния сверхпроводника. Второй — отражение Андреева, при котором электрон из ферромагнита превращается в дырку, возвращающуюся назад, а пара электронов (Куперовская пара) входит в сверхпроводник. В данной конфигурации эти пары — спин‑триплетные. Используя метод зелёных функций в режиме линейного отклика, авторы вычисляют электрическую проводимость, термоповедение (напряжение, возникающее из‑за температурного градиента), теплопроводность и термоэлектрический коэффициент эффективности ZT. Они показывают, что относительная важность потока квазичастиц и триплетного отражения Андреева чрезвычайно чувствительна как к паттерну зазора (Полярный против ABM), так и к взаимной ориентации кристаллических осей и направления туннелирования.

Переключение отражения Андреева с помощью ориентации кристалла

Ключевой результат состоит в том, что небольшие изменения углового взвешивания и ориентации могут либо усиливать, либо практически полностью подавлять триплетное отражение Андреева. В Полярном состоянии с осью симметрии, параллельной транспорту, ужесточение углового распределения вокруг этой оси включает сильный пик Андреева в середине зазора, тогда как в перпендикулярной ориентации симметрия заставляет вклад Андреева компенсироваться. Для состояния ABM ситуация впечатляюще обратна: в параллельной конфигурации внутренняя вихревая фаза зазора приводит к деструктивной интерференции, убивающей отражение Андреева, тогда как выборочное азимутальное взвешивание в перпендикулярной конфигурации восстанавливает его. Эти симметрийные эффекты означают, что простое вращение сверхпроводящего кристалла относительно квантовой точки может служить ручкой управления спин‑поляризованными сверхтоками.

Усиленный перенос тепла и термоэлектрическая эффективность

Поскольку и Полярное, и ABM‑состояния имеют низкоэнергетические квазичастицы даже внутри сверхпроводящего зазора, устройство может переносить тепло гораздо эффективнее, чем сопоставимая структура с обычным s‑волновым сверхпроводником. Авторы обнаруживают, что теплопроводность может увеличиваться на несколько порядков, а термоэлектрический показатель ZT может достигать значительных значений, особенно для фазы ABM. Однако существует компромисс: условия, при которых доминирует чистый триплетный перенос через Андреева, часто снижают ZT, поскольку бездиссипативные парные токи в линейном отклике непосредственно не переносят тепло. Оптимальная термоэлектрическая производительность достигается, когда уровень квантовой точки отстроен от области наибольшего вклада Андреева, и в общем случае состояние ABM превосходит Полярное по эффективности.

Что это значит для будущих квантовых устройств

В целом исследование показывает, что направленный характер p‑волнового зазора и его выравнивание с наномасштабным контактом сильно формируют как электрический, так и тепловой транспорт. Путём проектирования ориентации кристалла, качества интерфейса и спиновой поляризации ферромагнитного контакта экспериментаторы могли бы использовать простые термоэлектрические измерения — проводимость, термоповедение и тепловой поток — как чувствительные зонды, позволяющие определить, находится ли сверхпроводник в Полярном или ABM‑подобном состоянии и где расположены его узлы. Одновременно эти эффекты предлагают практические правила проектирования для спин‑ориентированных, малоактивных термоэлектрических устройств на основе триплетных сверхпроводников и квантовых точек, где можно выбирать между максимизацией спин‑чистых сверхтоков или максимизацией преобразования тепла в электричество в зависимости от применения.

Цитирование: Sonar, V., Trocha, P. Impact of gap anisotropy of Polar and Anderson-Brinkman-Morel p-wave superconductors on thermoelectric properties of quantum dot hybrids. Sci Rep 16, 13629 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46160-2

Ключевые слова: p‑волновые сверхпроводники, гибриды с квантовой точкой, триплетное отражение Андреева, термоэлектрический перенос, анизотропия зазора