[論文レビュー] Universal Josephson diode effect

Margarita Davydova, Saranesh Prembabu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、反転対称性と時間反転対称性が同時に破れる状況下で、有限の対電子対運動量を伴う短いジョセフソン接合におけるジョセフソンダイオード効果の普遍的メカニズムを提案する。この効果はアンドレーエフ局在準位エネルギーのドーナムシフトと連続状態からの位相に依存しない非対称電流に起因し、臨界電流の非対称性 $I_{c+}/I_{c-} \approx 230\%$ を示すことで最大40%のダイオード効率を達成する。この効果は不純物系に対しても安定しており、接合の透過率や材料の詳細に依存しない。

ABSTRACT

We propose a universal mechanism for the Josephson diode effect in short Josephson junctions. The proposed mechanism is due to finite Cooper pair momentum and is a manifestation of simultaneous breaking of inversion and time-reversal symmetries. The diode efficiency is up to 40%, which corresponds to an asymmetry between the critical currents in opposite directions $I_{c+}/I_{c-} \approx$ 230%. We show that this arises from both the Doppler shift of the Andreev bound state energies and the phase-independent asymmetric current from the continuum. Finally, we propose a simple scheme for achieving finite-momentum pairing, which does not rely on spin-orbit coupling and thus greatly expands existing platforms for the observation of supercurrent diode effects.

研究の動機と目的

• 短い接合におけるジョセフソンダイオード効果の普遍的微視的メカニズムを確立すること。
• 有限運動量対対称性を示す系における非可逆的スーパーコンダクター電流の起源を明確にすること。
• この効果が準粒子エネルギーのドーナムシフトと非対称連続状態寄与に起因することを示すこと。
• スピン軌道結合や複雑なヘテロ構造を必要とせず、材料に依存しない単純な方法で有限運動量対対称性を誘導するスキームを提案すること。
• 不純物や有限の接合透過率に対してダイオード効果がどれほど頑健であるかを示すこと。

提案手法

• 一般化されたBCSに類似した形式を用いて、有限運動量超伝導体間の短い接合におけるジョセフソン電流の解析的表現を導出する。
• 対電子対運動量に起因する空間的周期性を捉えるために、超伝導オーダーパラメータを $\Delta_{1,2}(x) = \Delta e^{\pm 2iqx + i\varphi}$ とモデル化する。
• 不純度の強さや系サイズを変化させた不純物系におけるジョセフソン電流とダイオード効率をシミュレートするために、タイトバインディング格子モデルを用いる。
• 接合透過率 $T$ における摂動展開を実行し、非対称な電流-位相関係を生成する高次の項を分離する。
• アンドレーエフ局在準位と連続状態寄与のそれぞれの寄与を別々に分析し、ダイオード効率に与える寄与度を定量化する。
• 小さな面内磁場 $B_y < B_{c1}$ における短い接合のマイスナー効果を用いて、スピン軌道結合を必要とせずに有限運動量対対称性を誘導する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限運動量対対称性を示す短い接合におけるジョセフソンダイオード効果の微視的起源は何か？
• RQ2 準粒子エネルギーのドーナムシフトと連続状態寄与が、どのように併せてダイオード効率を決定するか？
• RQ3 スピン軌道結合や複雑なヘテロ構造を必要とせず、すべての超伝導体に普遍的にジョセフソンダイオード効果を誘導できるか？
• RQ4 不純物や有限の接合透過率に対して、このダイオード効果はどれほど頑健か？
• RQ5 系のサイズと局在長さが、効果の大きさと普遍性を決定する上で果たす役割は何か？

主な発見

• ジョセフソンダイオード効果は、有限の対電子対運動量に起因するアンドレーエフ局在準位エネルギーのドーナムシフトによって普遍的に生じ、方向依存の電流-位相関係を引き起こす。
• ダイオード効率は最大40%に達し、臨界電流の非対称性 $I_{c+}/I_{c-} \approx 230\%$ に対応する。
• 連続状態からの位相に依存しない非対称電流が、ダイオード効果の大きさを決定する上で極めて重要な役割を果たす。
• 非常に低い接合透過率 $T \ll 1$ に対しても効果が維持され、複数の散乱チャネルや高透過率に依存しないことが示唆される。
• 化学ポテンシャルの不純度に対しても効果は頑健であり、$[-10\Delta, 10\Delta]$ の不純度範囲では効率がわずかに2倍に低下する。また、$\xi_{\text{loc}} \ll L$ のとき、系の長さに依存しなくなる。
• このメカニズムは普遍的である：バルビン限界でも成立し、接合パラメータに依存せず、小さな面内磁場下でのマイスナー効果を介してすべての超伝導体に適用可能である。