[논문 리뷰] Enhanced Superconducting Diode Effect due to coexisting Phases

Sayan Banerjee, Mathias S. Scheurer|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 06.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 시간역행대칭(TRS)이 자발적으로 위반되는 접합 없는 초전도체에서 초전도 다이오드 효과(SDE)를 향상시키기 위한 메커니즘을 제안한다. 초전류와 TRS를 위반하는 질서파라미터 간의 상호작용을 입증함으로써, 이들의 에너지 스케일이 유사할 경우 이 역작용 효과가 전류 비대칭을 크게 증폭시켜, 비틀어진 트리레이어 그래핀에서 관측된 큰 다이오드 효율성을 설명하고, 외부 자기장이 없는 고성능 초전도 다이오드의 설계 원칙을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The superconducting diode effect refers to an asymmetry in the critical supercurrent $J_c(\hat{n})$ along opposite directions, $J_c(\hat{n}) eq J_c(-\hat{n})$. While the basic symmetry requirements for this effect are known, it is, for junction-free systems, difficult to capture within current theoretical models the large current asymmetries $J_c(\hat{n})/J_c(-\hat{n})$ recently observed in experiment. We here propose and develop a theory for an enhancement mechanism of the diode effect arising from spontaneous symmetry breaking. We show - both within a phenomenological and a microscopic theory - that there is a coupling of the supercurrent and the underlying symmetry-breaking order parameter. This coupling can enhance the current asymmetry significantly. Our work might not only provide a possible explanation for recent experiments on trilayer graphene but also pave the way for future realizations of the superconducting diode effect with large current asymmetries.

연구 동기 및 목표

• 접합이 없는 초전도 트리레이어 그래핀에서 관측된 실험적 결과로 나타나는 큰 다이오드 효율을 이론적으로 설명하기 위해.
• 외부 자기장이나 전류에 의해 유도되지 않은, 시간역행대칭(TRS)이 자발적으로 위반되는 시스템에서의 초전도 다이오드 효과(SDE) 이론적 프레임워크를 수립하기 위해.
• 초전류가 TRS를 위반하는 질서파라미터에 다시 영향을 주는 피드백 메커니즘을 규명하고, 전류 비대칭을 증폭시키는 메커니즘을 규명하기 위해.
• 대칭성 위반 질서와 초전류의 역할을 통합하는 미시적 및 현상학적 이론을 제공하여 고효율 SDE를 가능하게 하기 위해.
• 외부 자기장이 없는 조건에서 큰, 조절 가능한 SDE 효율을 갖는 미래의 재료 및 장치 설계 원칙을 제공하기 위해.

제안 방법

• 초전도 질서파라미터 Δ와 시간역행대칭이 없는 질서파라미터 Φ를 포함하는 현상학적 Ginzburg-Landau 유사 이론을 수립하며, 이는 TRS를 위반하는 결합항을 포함한다.
• 효과적 작용과 Δ 및 Φ에 대한 자기구속 방정식을 유도하여, 초전류가 질서파라미터의 비균일한 조절을 유도하고 전류 비대칭을 초래함을 보여준다.
• 전자와 정공 상태 간의 운동량 공간 결합을 포함하는 해밀토니안을 사용하여, 미시적 BdG (Bogoliubov-de Gennes) 계산을 수행하며, TRS를 위반하는 외부 필드의 영향도 고려한다.
• 정상 상태 에너지의 운동량 q에 대한 도함수를 포함하는 선형 반응 공식을 사용하여 초전류를 계산하며, Nambu 스핀자기와 쿼라스입자 점유함수를 통한 사영을 수행한다.
• 초전류를 계산할 때 전자 및 정공 성분 간의 비정상적인 혼합을 고려하기 위해, 전체 쿼라스입자 파동함수 계수(u 및 v)를 사용한다.
• Δ(q)와 Φ(q)에 대한 자기구속 방정식을 수치적으로 해결하여, C3z 대칭이 위반되더라도 비록 C3z 대칭이 깨져도 q=0에서 Δ(q)의 최댓값이 고정됨을 보여준다.

Figure 1 : Phenomenological theory with leading nematic coupling, $\alpha\neq 0$ , $\alpha^{\prime}=\alpha^{\prime\prime}=0$ in Eq. ( 5 ). $\Phi_{v}(\boldsymbol{q})$ and $\Gamma(\boldsymbol{q})$ for (a) $\alpha=-0.5$ and (b) $\alpha=-3.0$ are shown in upper and lower panels, respectively. (c) Angula

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제로 필드 조건에서 관측된 트리레이어 그래핀의 큰 전류 비대칭은 어떻게 이론적으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 초전류와 시간역행대칭이 없는 질서파라미터 간의 상호작용은 초전도 다이오드 효과를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 초전류가 질서파라미터에 다시 영향을 주는 역작용 메커니즘이 다이오드 효율 η를 크게 증가시킬 수 있는가?
• RQ4 초전류와 질서파라미터 간의 결합이 최대 전류 비대칭을 유도하는 조건는 무엇인가?
• RQ5 TRS를 위반하는 질서파라미터의 에너지 스케일이 초전도성과 비교할 때 어떤 영향을 미치며, SDE 향상에 기여하는가?

주요 결과

• 초전류가 시간역행대칭이 없는 질서파라미터에 다시 영향을 주어, 대칭성만으로 기대되는 것보다 전류 비대칭을 크게 증폭시키는 피드백 메커니즘이 생성된다.
• 초전도성과 TRS를 위반하는 질서의 에너지 스케일이 유사할 경우, 이 역작용 효과가 강해져 다이오드 효율 η가 크게 증가한다.
• 수치적 해석 결과, C3z 대칭이 위반되더라도 비록 C3z 대칭이 깨져도 비록 C3z 대칭이 깨져도 q=0에서 Δ(q)의 최댓값이 비국소적 결합으로 인해 고정됨을 보여준다.
• 모델은 비틀어진 트리레이어 그래핀에서 관측된 큰 다이오드 효율을 재현하며, η가 1에 가까운 값을 보이며 Lin 등(2022)의 실험 결과를 설명한다.
• 이론은 초전류-질서파라미터 결합의 상대 강도를 조절함으로써 전류 비대칭을 조절할 수 있음을 예측하여 고효율 SDE 장치 설계를 가능하게 한다.
• 이 메커니즘은 일반적이며, 그래핀 기반 재료에 국한되지 않고, 자발적 TRS 위반을 보이는 다양한 시스템에 적용 가능하다.

Figure 2 : Phenomenological theory with $C_{3z}$ -symmetric coupling, $\alpha^{\prime}\neq 0$ , $\alpha=0$ , $\alpha^{\prime\prime}=1.0$ in Eq. ( 5 ). $\Phi_{v}(\boldsymbol{q})$ and $\Gamma(\boldsymbol{q})$ in (a) and (b) are shown for $\alpha^{\prime}=0.8$ and (c) displays the angular ( $\hat{n}$ )