[論文レビュー] Asymmetry and nonlinearity of current-bias characteristics in superfluid-normal state junctions of weakly-interacting Bose gases

Shun Uchino|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 45被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、トンネルハミルトニアン形式を用いて、弱い相互作用を示すボーズガスの超流動性・正規状態（SN）ジャンクションにおける電流バイアス特性を調査する。コンデンゲートトンネル効果およびボソン的アンドレエフ反射という、オームの法則を破る過程が、低バイアスでも非線形性と固有の非対称性を引き起こすことが明らかになった。主な発見は、化学ポテンシャルバイアス下ではこれらの非オーム的過程が支配的である一方、温度バイアス下では従来のオーム的輸送が顕著になることである。

ABSTRACT

We uncover current-bias characteristics of superfluid-normal state junctions with weakly-interacting Bose gases. It is shown that in the presence of a chemical potential bias the characteristics can strongly be asymmetric for origin. The salient feature that is absent in the fermionic counterpart arises from a tunneling process associated with a condensate and a bosonic Andreev reflection process. It turns out that such processes are intrinsically nonlinear and therefore do not obey Ohm's law even at a low bias. In addition, the remaining processes are found to obey Ohm's law and become dominant for transport driven by a temperature bias.

研究の動機と目的

• 弱い相互作用を示すボーズガスの超流動性・正規状態（SN）ジャンクションの量子輸送特性を理解すること。
• フェルミオン系（例：超伝導体・正規金属ジャンクション）とは異なり、電流バイアス非対称性が存在しない理由を特定すること。
• ミクロな輸送におけるボソン的アンドレエフ反射およびコンデンゲートトンネル効果の役割を、線形応答を超えたメソスコピックスケールで明確にすること。
• 化学ポテンシャルバイアスと温度バイアスの下で、非オーム的およびオーム的輸送領域を区別すること。
• Keldysh形式およびDyson方程式を用いた、このような系における電流を計算する微視的フレームワークを提供すること。

提案手法

• 運動量および位置に依存するトンネル行列要素を持つトンネルハミルトニアンを用いて、SNジャンクションを定式化する。
• 周波数空間における粒子電流を計算するために、Keldysh非平衡グリーン関数形式を適用する。
• Langreth則を用いて、劣化およびレディアンスグリーン関数のDyson方程式を解き、完全な非平衡応答を求める。
• 全電流を5つの異なるプロセスに分解する：Ic（コンデンゲートトンネル効果）、I1、I2、I3（従来のプロセス）、およびIA（ボソン的アンドレエフ反射）。
• フォノン近似および実周波数への解析的続行を用いて、小バイアス領域における各電流寄与を評価する。
• 非オーム的項（例：IA ∝ (∆µ + µ₀)²）およびオーム的項（例：I1 ≈ G∆µ）の解析的表現を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱い相互作用を示すボーズガスのSNジャンクションにおいて、フェルミオン系とは異なり、ゼロバイアスの周りで電流バイアス特性が非対称となるのはなぜか？
• RQ2 化学ポテンシャルバイアス下で、電流応答の線形性が破れる要因として、ボソン的アンドレエフ反射およびコンデンゲートトンネル効果が果たす役割は何か？
• RQ3 低バイアス領域において、非オーム的プロセス（IcおよびIA）と従来の輸送（I1、I2、I3）との間で、大きさの違いは何か？
• RQ4 どのような条件下でオーム的輸送プロセスが支配的となり、その特徴は化学ポテンシャルバイアスと温度バイアスの種別に依存するか？
• RQ5 観測された非線形性および非対称性は、微視的トンネルハミルトニアンおよびKeldysh形式を用いて定量的に記述可能か？

主な発見

• 弱い相互作用を示すボーズガスのSNジャンクションにおける電流バイアス特性は、非オーム的プロセスの支配により、ゼロバイアスの周りに固有の非対称性を示す。
• コンデンゲートトンネル電流（Ic）およびボソン的アンドレエフ反射（IA）が、非対称性を生じさせ、低バイアスでもオームの法則を破る。
• IAは(∆µ + µ₀)²に比例し、∆µ < −µ₀では消えるため、このプロセスには閾値特性が存在する。
• 低バイアス領域では、トンネル行列要素および化学ポテンシャルへの依存性が強いことから、IcがIAを上回る。
• 従来のプロセス（I1、I2、I3）はオームの法則に従い、化学ポテンシャル差が無視できる温度バイアス下で支配的になる。
• オーム的コンダクタンスGは解析的に導出され、温度、トンネル強度、および正規状態の状態密度に依存する。高温度ではf2(y)が温度抑制を引き起こす。