[論文レビュー] Current Induced Switching of Superconducting Order and Enhancement of Superconducting Diode Efficiency

Uddalok Nag, Jonathan Schirmer+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2026

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 0

ひとこと要約

論文は、両層超伝導体を平行磁場下で使うと、BCSと軌道 FFLO秩序の遷移近くで超伝導ダイオード効率が急激に向上することを示しており、電流誘起の一方向における超伝導秩序の切替によるものです。

ABSTRACT

We propose that the superconducting diode (SD) efficiency can be significantly enhanced near the transition between two superconducting states by choosing parameters where, before the system goes normal with increasing supercurrent, it switches into a different superconducting order for one direction of the current but not for the other. This mechanism for producing high SD efficiency relies on the expectation that the critical current depends sensitively on the superconducting order. We demonstrate this explicitly by performing detailed calculations for a bilayer superconductor with an in-plane magnetic field, which admits the standard Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) and the orbital Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) orders as a function of the strength of the magnetic field. We predict a sharp peak in the SD efficiency in the FFLO state close to the transition, which arises from a complex interplay between the two superconducting orders. An implication of our study is that the measurement of the SD efficiency can provide fundamental insight into the nature of the BCS-FFLO transition both as a function of the magnetic field and the supercurrent.

研究の動機と目的

• SD（超伝導ダイオード）効率が2つの超伝導状態（BCSとFFLO）の遷移近傍で増幅され得る機序を動機づけ、説明する。
• 平行磁場下の二層超伝導体を用いて、電流方向が秩序（BCS対FFLO）を切り替え、SD効率を高め得ることを示す。
• 臨界電流、秩序パラメータ、および層間渦との関係をSD性能に結びつける理論的枠組みを提供する。
• SD測定が場と電流の関数としてBCS-FFLO遷移の詳細を明らかにする可能性を提案する。）

提案手法

• 層間結合 Josephson coupling と層間の反転対称性破れを含む二層の自由エネルギーをGinzburg–Landau形式で定式化する。
• 平行磁場をベクトルポテンシャルで取り込み、電流と磁場を制御するために q と qB を定義する。
• 層間位相差のサイン・ゴードン方程式を導出し、その解から凝縮エネルギー Econ(q,qB) を得る。
• 最小化された凝縮エネルギーから超電流 Ix を計算し、逆方向の臨界電流 Ic^+ および Ic^- を特定する。
• qB_平面における相図を解析し、BCS と FFLO 状態と電流誘起遷移を区別する。
• 臨界電流の非対称性と秩序切替への依存性から超伝導ダイオード効率 η を評価する。

Figure 1 : Upper panels: Ground state energy $E_{\rm con}$ versus momentum $q$ . The results are shown for a bilayer with asymmetry parameter $a=0.1$ at three magnetic field ( $q_{B}$ ) values. Lower panels: Supercurrent $I_{x}=2e\partial E_{\rm con}/\partial q$ versus $q$ . When a given $I_{x}$ is

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平行磁場は二層超導体における BCS と軌道 FFLO 秩序の競合にどのような影響を与えるか。
• RQ2 電流は一方向でのみBCSとFFLO間の切替を誘発し、SD効率を高めるか。
• RQ3 層間渦、秩序パラメータの非対称性、および BC S–FFLO 遷移近傍の SD効率の関係はどのようになるか。

主な発見

• 特定の qB 値に対して FFLO と BCS の間の電流誘導切替が生じ、臨界電流が非対称になる。
• SD効率 η は遷移近傍の FFLO 側で鋭いピークを示し、二つの秩序と層間渦の相互作用による。
• η の向上は小さな反転対称性破れの非対称性 a の場合に顕著で、高い qB まで渦密度が分離層極限に達するまで持続する。
• 非対称な二層（α1 ≠ α2）では Ic^+ ≠ Ic^- が生じ、対称な場合には η が0ではない。
• この機構はスピン軌道結合を必要とせず、平行場下の層間渦効果に結びつく。

Figure 2 : (a) Phase diagram of the symmetric bilayer ( $\alpha_{1}=\alpha_{2}=-10$ ) as a function of the current $I_{x}$ (in units of $I_{c}^{+}(0)$ , the critical current at zero magnetic field) and $q_{B}\propto B$ ( $q_{B}$ is $2\pi$ times the number of magnetic flux quanta per unit length). Th