[論文レビュー] Supercurrent diode effect and finite momentum superconductivity

Noah F. Q. Yuan, Liang Fu|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2021

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 39被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、ラシバススピン軌道結合と空間反転対称性の破れを有する二次元超伝導体において、面内磁場が有限運動量を有するクーペル対を誘起することにより、内在的な超電流ダイオード効果を提案する。時間反転対称性および空間反転対称性の破れに起因する、前向きと逆向きで不釣り合いな非再帰的臨界電流が生じ、FF転移点近傍でダイオード係数 δ = −1 に達する完璧なダイオードを実現する。

ABSTRACT

When both inversion and time-reversal symmetries are broken, the critical current of a superconductor can be nonreciprocal. In this work we show that in certain classes of two-dimensional superconductors with antisymmetric spin-orbit coupling, Cooper pairs acquire a finite momentum upon the application of an in-plane magnetic field, and as a result, critical currents in the direction parallel and antiparallel to the Cooper pair momentum become unequal. This supercurrent diode effect is also manifested in the polarity-dependence of in-plane critical fields induced by a supercurrent. These nonreciprocal effects may be found in polar SrTiO$_3$ film, few-layer MoTe$_2$ in the $T_d$ phase, and twisted bilayer graphene in which the valley degrees of freedom plays the role analogous to spin.

研究の動機と目的

• 空間反転対称性および時間反転対称性が破れている二次元超伝導体における超電流ダイオード効果の微視的理論を確立すること。
• 面内磁場によって誘起される有限運動量クーペル対が、非再帰的臨界電流をもたらすことを示すこと。
• 超電流ダイオード効果が、時間反転対称性および空間反転対称性の破れを引き起こすクーペル対運動量 q₀ の直接的結果であることを示すこと。
• 極性SrTiO₃、Td相の数層MoTe₂、ねじれ双層グラフェンなどの材料が、この効果の実現可能性を示す可能性を同定すること。
• 従来のFFLO状態とは異なる、非再帰的輸送現象を通じてヘリカル超伝導性を検出する理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• ラシバススピン軌道結合および面内磁場を有する2次元電子系を、ハミルトニアン Hₖ = ξₖ + gₖ·σ + B·σ でモデル化し、フェルミ面をスピン非-degenerateなパッチに分離すること。
• ゴルコフ＝ナムバ形式を用いて超電流を導出し、有限運動量 q を持つ秩序パラメータ Δ(r) = Δe^{i q·r} の関数として電流を表現すること。
• 臨界電流 J_c をクーペル対運動量 q の関数として解析し、q₀ の周りの自由エネルギー展開における非対称性に起因して J_c⁺ ≠ J_c⁻ となることを示すこと。
• FF基底状態 q₀ の周りにおける自由エネルギーの3次近似 α_q を用いて、強い非対称性が生じ、ダイオード的挙動を示すことを証明すること。
• ベッセル関数から導かれる特殊関数 F(x) を用いて、ダイオード係数 δ = (J_c⁺ − J_c⁻)/(J_c⁺ + J_c⁻) を計算し、三重点で δ → −1 となることを示すこと。
• FF転移点近傍では、B = B* かつ T < T* の条件下で、系が δ = −1 に達する完全なダイオードとなることを示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限運動量クーペル対を有する二次元超伝導体において、内在的な超電流ダイオード効果が生じ得るか？
• RQ2 面内磁場が存在する下で、臨界電流はクーペル対運動量 q₀ に対してどの方向に依存するか？
• RQ3 空間反転対称性および時間反転対称性が破れている超伝導体における非再帰的臨界電流の起源は何か？
• RQ4 超電流ダイオード効果は、ヘリカル超伝導性を従来のFFLO状態とは明確に区別する明確な指標として用いられるか？
• RQ5 このような系で達成可能な最大のダイオード係数は何か？また、どのような条件下で完全性（δ = −1）に達するか？

主な発見

• 面内磁場によって誘起される有限運動量クーペル対が、ラシバススピン軌道結合を有する2次元超伝導体における超電流ダイオード効果の原因となる。
• 臨界電流は非再帰的である：J_c⁺ ≠ J_c⁻ であり、その差は基底状態FF相における q₀ の周りの自由エネルギーの非対称性に起因する。
• 三重点（B = B* かつ T < T*）近傍では、ダイオード係数が δ = −1 に達し、クーペル対運動量 q₀ と反平行に電流が流れなくなる完全なダイオードを示す。
• ダイオード効果はFF転移点近傍で最も顕著であり、q₀ の周りにおける自由エネルギー展開の強い3次非対称性に起因する。
• 臨界電流の非対称性は、クーペル対運動量 q₀ ∝ B に直接関連しており、これはゼーマン場によって誘起され、秩序パラメータの位相を変調する。
• 極性SrTiO₃、Td相の数層MoTe₂、ねじれ双層グラフェンなどの材料において、この効果は頑健に現れ、バルクの自由度がスピンを模倣する。