[論文レビュー] Microwave-Tunable Diode Effect in Asymmetric SQUIDs with Topological Josephson Junctions

Joseph J. Cuozzo, W. Pan+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2023

Topological Materials and Phenomena参考文献 68被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、トポロジカルなジョセフソン接合（4π周期的電流-位相差関係を有する）と従来の2π周期的接合を組み込んだ非対称SQUIDにおいて、マイクロ波でチューニング可能なジョセフソンダイオード効果を提案する。ノーマル抵抗の非対称性を調整し、ACバイアスを印加することで、ダイオードの極性を逆転可能にし、動的でマイクロ波駆動の整流を実現。トポロジカルSQUIDでは、自明なSQUIDに比べて効率が向上する。

ABSTRACT

In superconducting systems in which inversion and time-reversal symmetry are simultaneously broken the critical current for positive and negative current bias can be different. For superconducting systems formed by Josephson junctions (JJs) this effect is termed Josephson diode effect. In this work, we study the Josephson diode effect for a superconducting quantum interference device (SQUID) formed by a topological JJ with a 4$π$-periodic current-phase relationship and a topologically trivial JJ. We show how the fractional Josephson effect manifests in the Josephson diode effect with the application of a magnetic field and how tuning properties of the trivial SQUID arm can lead to diode polarity switching. We then investigate the AC response and show that the polarity of the diode effect can be tuned by varying the AC power and discuss differences between the AC diode effect of asymmetric SQUIDs with no topological JJ and SQUIDs in which one JJ is topological.

研究の動機と目的

• トポロジカル超伝導性に起因する4π周期的電流-位相差関係を示すジョセフソン接合を1つ有する非対称SQUIDにおけるジョセフソンダイオード効果（JDE）を調査すること。
• 磁束、インダクタンス、SQUIDの各腕間のノーマル抵抗の非対称性が、ダイオードの極性および効率に与える影響を調査すること。
• ACバイアスを用いたマイクロ波制御により、ダイオード効果を動的にチューニングし、整流方向を制御可能にすること。
• 自明な2π-2π SQUIDと比較して、トポロジカルな2π-4π SQUIDのダイオード効率および整流ウィンドウ性能を評価すること。

提案手法

• フラックスイド量子化と非自明な電流-位相差関係を組み込んだ、抵抗性並列接合（RSJ）形式に基づく解析的モデルを構築した。
• 電圧バイアス下でのACジョセフソン効果を記述するため、ジャコビ・アンジャー展開およびベッセル関数を用いてSQUID内の有効スーパーキャリアを導出した。
• 非対称性および4π周期性に起因する非対称応答を捉えるために、電流-位相差関係にコサインおよびサインの高次調波を組み込んだ。
• $ W_{4\tilde{\pi}} $, $ R_{21} $, $ \beta_L $, および $ \Phi $ などのパラメータを用いて、臨界電流差 $ \Delta I_c $ と平均臨界電流 $ I_{\text{avg}} $ をモデル化した。
• 自明なSQUIDおよび2π-4π SQUIDの両方について、AC応答の数値シミュレーションを実施し、解析結果の妥当性を検証した。
• 高次調波（例：$ \sin(2\phi_A) $）が、外部磁束がゼロの状態でも非再帰的応答を生成する役割を果たすことを分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非対称SQUIDに4π周期的ジョセフソン接合が存在する場合、ジョセフソンダイオード効果にどのような影響を与えるか？
• RQ2 SQUIDの各腕間のノーマル抵抗の非対称性によって、ダイオードの極性を反転させることができるか？
• RQ3 SQUIDのAC応答を、マイクロ波出力によってどれほどダイオード効果をチューニングできるか？
• RQ4 トポロジカルな2π-4π SQUIDは、自明な2π-2π SQUIDと比較して、ダイオード効率および整流ウィンドウの面でどの程度優れているか？
• RQ5 電流-位相差関係における高次調波が、外部磁束がゼロの状態でも非再帰的スーパーキャリアの流れを可能にする役割を果たすか？

主な発見

• 2π-4π SQUIDは、2つの腕間のノーマル抵抗非対称性を調整することにより、臨界電流差 $ \Delta I_c $ がチューニング可能な強固なジョセフソンダイオード効果を示す。
• 抵抗非対称性を変更することで、ダイオードの極性が反転し、スーパーキャリア整流の方向を能動的に制御可能となる。
• マイクロ波ACバイアスにより、ダイオード効果を動的にチューニング可能である：AC出力を増加させることで、ダイオード効率が向上し、極性の切り替えも可能になる。
• トポロジカルSQUIDは、自明なSQUIDと比較して、より大きな整流電流ウィンドウ $ \Delta I_c $ を示し、同等のダイオード効率であるにもかかわらず、実用的品質が優れていることが示された。
• AC応答の数値シミュレーションは、解析的予測と優れた一致を示し、モデルの正確性が、さまざまなAC出力および磁束条件下で裏付けられた。
• 外部磁束がゼロの状態でも、非対称性に起因する高次調波（例：$ \sin(2\phi_A) $）が有効スーパーキャリアに寄与し、外部磁束がなくても非再帰的挙動を実現することが分かった。