[論文レビュー] Nonreciprocal charge transport and subharmonic structure in voltage-biased Josephson diodes

Alex Zazunov, Jérôme Rech+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2023

Physics of Superconductivity and MagnetismPhysics and Astronomy参考文献 79被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、有限の対運動量 2q を持つヘリカル超伝導体を用いた電圧バイアス型ジョセフソンダイオードの散乱理論を構築し、複数のアンドレーエフ反射（MAR）がドーナツシフトしたスペクトルギャップの影響で、直流電流-電圧曲線に豊かな準位構造を引き起こすことを示した。主な結果は、電圧バイアス状態において整流効率が理想値 η = 1 に達することであり、これは電流バイアス状態での最大値 η₀ ≈ 0.4 を上回る。

ABSTRACT

We study charge transport in voltage-biased single-channel junctions involving helical superconductors with finite Cooper pair momentum. For a Josephson junction, the equilibrium current-phase relation shows a superconducting diode effect: the critical current depends on the propagation direction. We formulate a scattering theory for voltage-biased Josephson diodes and show that multiple Andreev reflection processes cause a rich subharmonic structure in the DC current-voltage curve at low temperatures and small voltages due to Doppler shifts of the spectral gap. In the current-biased case, the diode efficiency has maximal rectification efficiency $η_0\approx 0.4$ for this model. In the voltage-biased case, however, the rectification efficiency can reach the ideal value $η=1$. We also discuss charge transport for NS junctions between a normal metal and a helical superconductor and comment on related models with spin-orbit interactions and magnetic Zeeman fields.

研究の動機と目的

• ヘリカル超伝導体と有限の対運動量を有する電圧バイアス型ジョセフソンダイオードにおける電荷輸送の微視的散乱理論の構築を目的とする。
• 非平衡状態下での複数のアンドレーエフ反射プロセスが、電流-電圧特性に与える影響を調査することを目的とする。
• 電圧バイアス状態における整流効率 η を特定し、電流バイアス状態と比較することを目的とする。
• 有限の対運動量とドーナツシフトが、I-V曲線における準位構造を生成する役割を解明することを目的とする。
• スピン-軌道結合およびゼーマン場を含むモデルと比較するため、NS接合への分析を拡張することを目的とする。

提案手法

• ヘリカル超伝導体と有限の対運動量 2q を持つ電圧バイアス型ジョセフソン接合の散乱理論を定式化し、複数のアンドレーエフ反射（MAR）プロセスを組み込む。
• Nambu形式を用いて、有限の対運動量 2q を持つ超伝導リードのハミルトニアンを記述し、スペクトルギャップとドーナツシフト効果を含む。
• 散乱行列要素から、低温および準位領域（e|V| < 2Δ）で有効な正確な直流電流-電圧（I-V）曲線を導出する。
• 単一チャネルの弱い結合部を有する2つのヘリカル超伝導体間のモデルを導入し、両側で同一のペアリングギャップ Δ と運動量 2q を仮定する。
• 通常金属とヘリカル超伝導体間のNS接合に理論を適用し、スピン-軌道結合およびゼーマン場を含む代替モデルと比較する。
• 準位領域における整流効率 η(V) を計算し、電圧バイアス下で η が η = 1 に達することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限の対運動量を有する電圧バイアス型ジョセフソンダイオードにおいて、複数のアンドレーエフ反射は、電流-電圧特性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 観測されたI-V曲線の準位構造の起源は何か？ そして、超伝導ギャップのドーナツシフトとどのように関係しているか？
• RQ3 電圧バイアス状態における整流効率 η は、電流バイアス状態で達成可能な最大値を上回ることができるか？ もしそうならば、どのような条件下で達成されるか？
• RQ4 外部磁場が存在しない状況下で、有限の対運動量（2q ≠ 0）が非可逆的電荷輸送をどのように引き起こすか？
• RQ5 スピン-軌道結合およびゼーマン場を含むモデルにおいて、レゾネントドット準位と接合透過率は、スーパーコンダクティングダイオード効果の効率 η₀ を最大化するために果たす役割は何か？

主な発見

• 電圧バイアス型ジョセフソンダイオードは、複数のアンドレーエフ反射とスペクトルギャップのドーナツシフトの影響により、直流電流-電圧曲線に豊かな準位構造を示す。
• 電圧バイアス状態では、整流効率が理想値 η = 1 に達することがあり、これは電流バイアス状態で観測された最大値 η₀ ≈ 0.4 より顕著に上回る。
• I-V曲線の準位構造は、特に低温および準位領域（e|V| < 2Δ）で顕著となり、ここではMARが電荷輸送を支配する。
• 有限の対運動量を有するジョセフソンダイオードモデルでは、臨界電流が方向依存性を示し、平衡状態下でのスーパーコンダクティングダイオード効果を確認する。
• スピン-軌道結合およびゼーマン場を含むモデルでは、ドット準位がフェルミエネルギーにほぼレゾネントな場合、大きなSDE効率 η₀ ≈ 0.25 が達成され、レゾネンスと高い効率の強い相関が示唆される。
• スピン-軌道/ゼーマンモデルにおいても、整流効率 η(V) は準位領域で依然として大きく保たれるため、非可逆的デバイスの高性能化に有望である。