[論文レビュー] Enhanced Superconducting Diode Effect due to coexisting Phases

Sayan Banerjee, Mathias S. Scheurer|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、時間反転対称性（TRS）が自発的に破れている（junction-free）超伝導体における超伝導ダイオード効果（SDE）の強化のためのメカニズムを提案する。超伝導電流とTRS破れ秩序パラメータの間の相互結合—特にそれらのエネルギースケールが同等である場合に顕著になる—を示すことにより、このバックアクション効果が電流非対称性を顕著に増幅できることを示し、2重層グラフェンにおける大きなダイオード効率を説明するとともに、外部磁場を用いない高性能なゼロ場超伝導ダイオードの設計原理を提供する。

ABSTRACT

The superconducting diode effect refers to an asymmetry in the critical supercurrent $J_c(\hat{n})$ along opposite directions, $J_c(\hat{n}) eq J_c(-\hat{n})$. While the basic symmetry requirements for this effect are known, it is, for junction-free systems, difficult to capture within current theoretical models the large current asymmetries $J_c(\hat{n})/J_c(-\hat{n})$ recently observed in experiment. We here propose and develop a theory for an enhancement mechanism of the diode effect arising from spontaneous symmetry breaking. We show - both within a phenomenological and a microscopic theory - that there is a coupling of the supercurrent and the underlying symmetry-breaking order parameter. This coupling can enhance the current asymmetry significantly. Our work might not only provide a possible explanation for recent experiments on trilayer graphene but also pave the way for future realizations of the superconducting diode effect with large current asymmetries.

研究の動機と目的

• 外部磁場が存在しない状況下で観測された実験的結果としての大きなダイオード効率（臨界電流非対称性が理論的予測を大きく上回る）を説明すること。
• 外部からの磁場や電流によって引き起こされる効果に依存しない、時間反転対称性が自発的に破れている系における超伝導ダイオード効果（SDE）の理論的枠組みを構築すること。
• 超伝導電流がTRS破れ秩序パラメータにフィードバックするメカニズムを特定・特徴づけ、電流非対称性の増幅を促進すること。
• 対称性破れ秩序と超伝導電流の両者の役割を統合的に説明する、微視的かつ現象論的理論を構築すること。
• 外部磁場を用いない、大きな可変性を持つSDE効率を示す将来の材料・デバイスの設計原理を提供すること。

提案手法

• 超伝導秩序パラメータΔと時間反転奇の秩序パラメータΦを含む現象論的ギンツブルク＝ランダウ型理論を定式化し、TRSを破る項を含む結合項を導入する。
• 有効作用とΔおよびΦの自己無撞撃方程式を導出し、超伝導電流が秩序パラメータの非一様な変調を引き起こし、電流非対称性を生じることを示す。
• 運動量空間における電子状態と空孔状態のカップリングを含むハミルトニアンを用いて、BdG（ボゴリューボフ＝デギンス）計算を微視的に実行し、TRS破れ場の効果を考慮する。
• 正準状態エネルギーの運動量qに関する微分を用いた線形応答式により超伝導電流を計算し、ナンブスピン子と準粒子占有関数を介して射影する。
• 準粒子波動関数の振幅（uおよびv）を完全に用いて電流を計算し、秩序パラメータのカップリングに起因する電子・空孔成分の非自明な混合を考慮する。
• Δ(q)およびΦ(q)の自己無撞撃方程式を数値的に解き、C3z対称性が破れている場合でさえも、非局所的結合に起因してΔ(q)の最大値がq=0にピン留めされることを示す。

Figure 1 : Phenomenological theory with leading nematic coupling, $\alpha\neq 0$ , $\alpha^{\prime}=\alpha^{\prime\prime}=0$ in Eq. ( 5 ). $\Phi_{v}(\boldsymbol{q})$ and $\Gamma(\boldsymbol{q})$ for (a) $\alpha=-0.5$ and (b) $\alpha=-3.0$ are shown in upper and lower panels, respectively. (c) Angula

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゼロ磁場下の三層グラフェンで観測された大きな電流非対称性は、どのように理論的に説明できるか？
• RQ2 超伝導電流と時間反転奇の秩序パラメータの間の相互結合が、超伝導ダイオード効果の強化に果たす役割は何か？
• RQ3 超伝導電流が秩序パラメータにフィードバックするメカニズムが、ダイオード効率ηを顕著に向上させ得るか？
• RQ4 超伝導電流と秩序パラメータの結合が、最大の電流非対称性を生じる条件は何か？
• RQ5 TRS破れ秩序パラメータのエネルギースケールが超伝導性と比較してどの程度のとき、SDEの強化が顕著に現れるか？

主な発見

• 超伝導電流が時間反転奇の秩序パラメータにフィードバックする相互作用により、対称性のみに依存する場合を上回る電流非対称性の増幅が実現される。
• 超伝導性とTRS破れ秩序のエネルギースケールが同等である場合、バックアクション効果が強く発現し、ダイオード効率ηが顕著に向上する。
• 数値的解法により、C3z対称性が破れている場合でも、電流との非局所的結合に起因して、超伝導秩序パラメータΔ(q)の最大値がq=0にピン留めされていることが示された。
• 本モデルは、Linら（2022年）の実験結果を再現し、ηが1に近い値に達する大きなダイオード効率を説明できる。
• 理論は、超伝導電流と秩序パラメータの結合強度を調整することで、電流非対称性を制御可能であると予測し、高効率SDEデバイスの設計を可能にする。
• このメカニズムは、一般性と頑健性を有し、グラフェン系に限らず、時間反転対称性が自発的に破れるあらゆる系に適用可能である。

Figure 2 : Phenomenological theory with $C_{3z}$ -symmetric coupling, $\alpha^{\prime}\neq 0$ , $\alpha=0$ , $\alpha^{\prime\prime}=1.0$ in Eq. ( 5 ). $\Phi_{v}(\boldsymbol{q})$ and $\Gamma(\boldsymbol{q})$ in (a) and (b) are shown for $\alpha^{\prime}=0.8$ and (c) displays the angular ( $\hat{n}$ )