[論文レビュー] Superconducting Diode Effect and Large Magnetochiral Anisotropy in T$_d$-MoTe$_2$ Thin Film

Wan-Shun Du, Weipeng Chen+15 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2023

Magnetic and transport properties of perovskites and related materialsMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、弱い垂直磁場下における不規則な T$_d$-MoTe$_2$ 薄膜において、超伝導ダイオード効果および大きな磁気的キラル異方性が示された。ダイオード効果は、非中心対称超伝導性に起因するヴォルテックスラッチメカニズムに由来し、20％に近いダイオード効率と、$5.9\times10^8\,\mathrm{T^{-1}\,A^{-1}}$に達する磁気的キラル異方性係数を達成した。非可逆的輸送は、ラシュバ系とは異なり、非対称スピン軌道結合に支配されていた。

ABSTRACT

In the absence of time-reversal invariance, metals without inversion symmetry may exhibit nonreciprocal charge transport -- a magnetochiral anisotropy that manifests as unequal electrical resistance for opposite current flow directions. If superconductivity also sets in, the charge transmission may become dissipationless in one direction while remaining dissipative in the opposite, thereby realizing a superconducting diode. Through both direct-current and alternating-current measurements, we study the nonreciprocal effects in thin films of the noncentrosymmetric superconductor T$_d$-MoTe extsubscript{2} with disorders. We observe nonreciprocal superconducting critical currents with a diode efficiency close to 20\%~, and a large magnetochiral anisotropy coefficient up to $\SI{5.9e8}{\per esla\per\ampere}$, under weak out-of-plane magnetic field in the millitesla range. The great enhancement of rectification efficiency under out-of-plane magnetic field is likely abscribed to the vortex ratchet effect, which naturally appears in the noncentrosymmetric superconductor with disorders. Intriguingly, unlike the finding in Rashba systems, the strongest in-plane nonreciprocal effect does not occur when the field is perpendicular to the current flow direction. We develop a phenomenological theory to demonstrate that this peculiar behavior can be attributed to the asymmetric structure of spin-orbit coupling in T$_d$-MoTe extsubscript{2}. Our study highlights how the crystallographic symmetry critically impacts the nonreciprocal transport, and would further advance the research for designing the superconducting diode with the best performance.

研究の動機と目的

• 磁場下における不規則な T$_d$-MoTe$_2$ 薄膜における非可逆的輸送を調査すること。
• 非中心対称超伝導体における強化された超伝導ダイオード効果および大きな磁気的キラル異方性の起源を理解すること。
• 結晶学的対称性およびスピン軌道結合の非対称性が、超伝導系における方向性電荷輸送に与える影響を特定すること。
• 面内磁場下における非可逆効果の角度依存性を説明する擬対称理論を構築すること。

提案手法

• 化学蒸着法を用いた化学的蒸発成長と剥離により、高品質な T$_d$-MoTe$_2$ 薄膜を調製した。
• 約10 mKの低温下で、冷却器を用いた四端子輸送測定を実施した。
• ロックイン検出を用いて、微分抵抗および高調波信号を測定するため、DCおよびAC電流励起を適用した。
• ベクトル超伝導磁石を用いて、垂直および面内磁場を最大10 mTまで印加した。
• 2次高調波電圧（$V_{2\omega}$）を測定し、ダイオード電圧信号を抽出し、非可逆性を定量化した。
• 非対称スピン軌道結合に基づく擬対称モデルを構築し、磁気的キラル異方性の角度依存性を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱い垂直磁場下における不規則な T$_d$-MoTe$_2$ 薄膜に見られる超伝導ダイオード効果の原因は何か？
• RQ2 ラシュバ系とは対照的に、磁場が電流方向に対して垂直である $\varphi = 90^\circ$ のとき、面内磁気的キラル異方性が最大にならないのはなぜか？
• RQ3 T$_d$-MoTe$_2$ におけるスピン軌道結合の非対称構造が、非可逆的輸送の角度依存性にどのように影響するか？
• RQ4 ヴォルテックスラッチ効果は、不規則な超伝導膜における整流効率の向上にどのような役割を果たすか？
• RQ5 スピン軌道結合パラメータに基づく擬対称モデルが、観測された非可逆信号の角度変化を正確に再現できるか？

主な発見

• 10 mTの垂直磁場下で、約20％のダイオード効率を示す超伝導ダイオード効果が観測された。
• 弱い垂直磁場下で、磁気的キラル異方性係数は $5.9\times10^8\,\mathrm{T^{-1}\,A^{-1}}$ に達した。
• 面内磁場下での最大非可逆的応答は、電流に対して垂直な $\varphi = 90^\circ$ で発生せず、ラシュバ系の予想とは反対であった。
• 非可逆信号の角度依存性は、非対称スピン軌道結合パラメータを用いた擬対称モデルにより、非対称な2つのローブとして再現された。
• ヴォルテックスラッチ効果が、不規則な T$_d$-MoTe$_2$ 薄膜における整流効率の向上をもたらす主要メカニズムであると特定された。
• 理論的モデリングにより、有限の $\alpha_3$ 項および $\alpha_1, \alpha_2$ が等しくないスピン軌道結合係数が、観測された非対称な角度応答に不可欠であることが確認された。