[論文レビュー] Approaching ideal rectification in superconducting diodes through multiple Andreev reflections

Alex Zazunov, Jérôme Rech+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2023

Quantum and electron transport phenomena被引用数 8

ひとこと要約

論文は、有限コペラ対対相 momentum を持つ二つの超導体間の短い弱リンクにおける複数のアンダリーエヴ対称反射 MAR を含む電圧偏置超導整流器を分析し、高透磁率と qξ→1 においてサブギャップ電圧で MAR がほぼ理想的な整流性 η→1 を生み得ることを示す。

ABSTRACT

We analyze the rectification properties of voltage-biased Josephson junctions exhibiting the superconducting diode effect. Taking into account multiple Andreev reflection (MAR) processes in our scattering theory, we consider a short weak link of arbitrary transparency between two superconductors with finite Cooper pair momentum $2q$. In equilibrium, the diode efficiency is bounded from above in this model, with maximal efficiency $η_0\approx 0.4$. Out of equilibrium, we find a rich subharmonic structure in the current-voltage curve. For high transparency and low bias voltage $V$, the rectification efficiency $η(V)$ approaches the ideal value $η=1$ for $qξ o 1$ (with coherence length $ξ$).

研究の動機と目的

• MAR プロセスが有限コペラ対対運動量を持つ電圧偏置ジョセフソン整流器の整流にどのように影響するかを理解する。
• マージン、透明度、および運動量 q に対する整流効率 η(V) の定量化。
• 整流が理想的な限界 η=1 に近づくパラメータ領域を識別する。
• ドップラー効果により移動したギャップ Δ± がサブハーモニック MAR 特性と整流に与える影響を明らかにする。

提案手法

• 透明度を持つ二つの超導体間の短い弱リンクに対して散乱理論を用い、コペラ対運動量を 2q とする。
• BdG 形式とマッチング条件を用いて、有限電圧下のジョンクションを横断する MAR 散乱状態を構築する。
• MAR 振幅の再帰関係を導出し、エネルギー積分として現在 I(V) を MAR 成分で表現する。
• フェルミ分布とドップラーシフトされた状態密度を用いて現在を計算し、I(V) および η(V) を得る。
• ballistic (T=1) および非 ballistic ケースを分析し、サブギャップ領域と高電圧領域の結果を MAR ラダーベースで解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限コペラ対対運動量を持つ電圧偏置ジョセフソン整流器の I-V 特性に MAR プロセスがどのように影響するか？
• RQ2 考慮モデルにおける平衡状態での最大整流効率 η0 はいくつか、非平衡状態で η(V) が 1 に近づく条件は何か？
• RQ3 透明度と qξ はサブハーモニック構造と整流にどのような影響を与えるか？
• RQ4 Δ± のドップラーシフトが MAR 関連特性と整流における役割は何か？

主な発見

• 平衡状態では、整流効率はこのモデルで最大 η0 ≈ 0.4 に制限される。
• 非平衡状態では、MAR による現在-電圧曲線に豊かなサブハーモニック構造が現れる。
• 高透磁率かつ低バイアス電圧の場合、qξ→1 で η(V) は理想的値 η = 1 に近づく。
• ボーリスティック極限 (T=1) では、q ≠ 0 の I(V) は Iq=0(V) にCooper対運動量電流シフトを加えたものとなり、η(V) = (4eΔ/h)(qξ)/Iq=0(V) となる。
• サブギャップ整流は MAR とドップラーシフトされたギャップにより強化され、2Δ±/eV = n (n は整数) で共鳴・反共鳴が生じる。
• 高電圧 eV ≫ Δ のとき、η(eV) は η ≈ A(qξ, T) (Δ/(eV)) のスケールで、T=1 では A ≈ 2qξ、有限 T では A ≈ 2qξT。