[論文レビュー] Field-Effect Josephson Diode via Asymmetric Spin-Momentum-Locking States

Pei-Hao Fu, Yong Xu+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2022

Quantum and electron transport phenomena参考文献 103被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、非対称スピン運動量ロック状態（ASMLSs）を用いることで、外部磁場を必要とせずにゲートでチューナブルな非再帰的スーパーコンダクティブ電流を実現するフィールド効果ジョセフソンダイオード（FEJD）を提案する。静電的ゲートにより、ASMLSsを通じて有限運動量のクーペル対を誘起し、ドッパー周波数シフトとスピン依存の超伝導ギャップの制御によって、ダイオード効率の電気的制御を可能にする。トポロジカルプラットフォームでは、保護されたエッジ状態のおかげで性能が向上する。

ABSTRACT

Recent breakthroughs in Josephson diodes dangle the possibility of extending conventional non-reciprocal electronics into the realm of superconductivity. While a strong magnetic field is recognized for enhancing diode efficiency, it concurrently poses a risk of undermining the essential superconductivity required for non-dissipative devices. To circumvent the need for magnetic-based tuning, we propose a field-effect Josephson diode based on the electrostatic gate control of finite momentum Cooper pairs in asymmetric spin-momentum-locking states. We propose two possible implementations of our gate-controlled mechanism: (i) a topological field-effect Josephson diode in time-reversal-broken quantum spin Hall insulators; and (ii) semiconductor-based field-effect Josephson diodes attainable in current experimental setups involving a Zeeman field and spin-orbit coupling. Notably, the diode efficiency is highly enhanced in the topological field-effect Josephson diode because the current carried by the asymmetric helical edge states is topologically protected and can be tuned by local gates. In the proposed Josephson diode, the combination of gates and asymmetric spin-momentum-locking nature is equivalent to that of a magnetic field, thus providing an alternative electrical operation in designing nonreciprocal superconducting devices.

研究の動機と目的

• ジョセフソンダイオードにおける磁場ベースのチューニングの制限を克服すること。これは、超伝導性を破壊するリスクを伴う。
• 外部磁場を避ける一方で高いダイオード効率を維持する、完全に電気的に制御可能なジョセフソンダイオードのメカニズムを開発すること。
• 時間反転対称性を破るための磁場の代わりに、非対称スピン運動量ロック状態（ASMLSs）を活用すること。
• トポロジカル量子スピンホール絶縁体と、スピン軌道結合およびゼーマン場を有する常識的半導体の両方で、実現可能性を示すこと。
• ASMLSsにおけるクーペル対運動量とドッパーエネルギーシフトの制御により、ゲートでチューナブルなダイオード効率を達成すること。

提案手法

• 静電的ゲートを用いてフェルミ準位をチューニングし、ASMLSsで有限運動量のクーペル対を誘起することで、ゼーマン場の効果を模倣する。
• スピン軌道結合および面内ゼーマン場を含むハミルトニアンをモデル化し、運動量依存のスピンテクスチャを持つASMLSsを生成する。
• BCS平均場理論を適用し、スピン依存の超伝導ギャップ Δ± = Δeff(1 ∓ D) を導出する。ここで D はクーペル対運動量に起因するドッパー周波数シフトである。
• 散乱行列式 formalism を用いてアンドレーエブ反射確率およびスーパーコンダクティブ電流を計算し、電流がドッパー周波数シフト D に依存することを示す。
• トポロジカル量子スピンホール絶縁体（QSHI）と、ラシバスピン軌道結合を有する半導体異質構造の2つのプラットフォームで輸送を分析する。
• ダイオード効率 η = (Ic+ − Ic−)/(Ic+ + Ic−) が、ASMLS分散のゲート誘起シフトに依存する D の制御により、ゲートでチューナブルであることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非対称スピン運動量ロック状態（ASMLSs）を有する系において、静電的ゲートを用いることで外部磁場を必要とせずにジョセフソンダイオードを実現できるか？
• RQ2 ASMLSsにおけるフェルミ準位のゲート制御が、チューナブルな非再帰的スーパーコンダクティブ電流をどのようにもたらすか？
• RQ3 トポロジカル保護が、フィールド効果ジョセフソンダイオードにおけるダイオード効率の向上に果たす役割は何か？
• RQ4 半導体ベースのシステムにおいて、面内ゼーマン場の方向および強度がダイオード効率にどのように影響するか？
• RQ5 トポロジカルおよび常識的半導体プラットフォームの両方で、ダイオード効率はどの程度電気的にチューニング可能か？

主な発見

• フィールド効果ジョセフソンダイオード（FEJD）は、非対称スピン運動量ロック状態（ASMLSs）における有限運動量クーペル対の静電的制御を活用することで、ゲートでチューナブルなダイオード効率を達成する。
• トポロジカルQSHIプラットフォームでは、非ホルミスのヘリカルエッジ状態が電流を無損失で運ぶため、ダイオード効率が顕著に向上する。
• ドッパー周波数シフト D ≈ 0.91 のとき、ダイオード効率は最大で η ≈ 0.91 に達する。これは t = 0.1 の場合、約 10 meV のゲート電圧で達成可能である。
• 臨界電流は ∼10 nA の範囲に予測され、これは現在の測定技術と整合的である。
• 半導体ベースのFEJDでは、バッテリー状の超伝導チャネル数に応じて、ダイオード効率が3つの領域に分けられる。領域IIでは、ファブリペロー干渉のため、振動的挙動を示す。
• 面内ゼーマン場が量子化軸に平行（φm = nπ）であるとき、ダイオード効率は消えるが、分散シフトを最大化する方向に整列させると最大値に達する。これにより、ASMLSsが非再帰性の中心的役割を果たしていることが確認される。