[논문 리뷰] Field-Effect Josephson Diode via Asymmetric Spin-Momentum-Locking States

Pei-Hao Fu, Yong Xu외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 05.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 103인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 비대칭 스핀-모멘텀 고정 상태(ASMLSs)를 이용하여 외부 자기장 없이도 전압으로 조절 가능한 비대칭 초전류를 실현하는 필드효과 조지프슨 다이오드(FEJD)를 제안한다. 전자기적 게이팅을 통해 ASMLSs를 통해 유한한 운동량을 가진 코플러 쌍을 유도함으로써, 도플러 이동과 스핀에 의존하는 초전도 갭을 조절하여 다이오드 효율을 전기적으로 제어할 수 있으며, 보호된 표면 상태 덕분에 토폴로지 플랫폼에서 성능이 향상된다.

ABSTRACT

Recent breakthroughs in Josephson diodes dangle the possibility of extending conventional non-reciprocal electronics into the realm of superconductivity. While a strong magnetic field is recognized for enhancing diode efficiency, it concurrently poses a risk of undermining the essential superconductivity required for non-dissipative devices. To circumvent the need for magnetic-based tuning, we propose a field-effect Josephson diode based on the electrostatic gate control of finite momentum Cooper pairs in asymmetric spin-momentum-locking states. We propose two possible implementations of our gate-controlled mechanism: (i) a topological field-effect Josephson diode in time-reversal-broken quantum spin Hall insulators; and (ii) semiconductor-based field-effect Josephson diodes attainable in current experimental setups involving a Zeeman field and spin-orbit coupling. Notably, the diode efficiency is highly enhanced in the topological field-effect Josephson diode because the current carried by the asymmetric helical edge states is topologically protected and can be tuned by local gates. In the proposed Josephson diode, the combination of gates and asymmetric spin-momentum-locking nature is equivalent to that of a magnetic field, thus providing an alternative electrical operation in designing nonreciprocal superconducting devices.

연구 동기 및 목표

• 초전도성을 파괴할 위험이 있는 자기장 기반 조절 기술의 한계를 극복하기 위해.
• 외부 자기장을 피하면서도 높은 다이오드 효율을 유지하는 전적으로 전기적으로 제어 가능한 조지프슨 다이오드 메커니즘을 개발하기 위해.
• 시간역전 대칭을 깨는 데 있어 자기장을 대체할 수 있는 비대칭 스핀-모멘텀 고정 상태(ASMLSs)를 활용하기 위해.
• 토폴로지 양자 스핀홀 인산화물(QSHI)과 스핀오비트 결합 및 제이만 필드를 갖는 전통적 반도체에서의 실현 가능성을 입증하기 위해.
• ASMLSs 내에서 코플러 쌍의 운동량과 도플러 에너지 이동을 제어하여 게이팅에 의해 조절 가능한 다이오드 효율을 달성하기 위해.

제안 방법

• 전기적 게이팅을 통해 ASMLSs 내에서 피에르 수준을 조절하고 유한한 운동량을 가진 코플러 쌍을 유도함으로써 제이만 필드의 효과를 모방한다.
• 스핀오비트 결합과 평면 내 제이만 필드를 포함한 해밀토니안 모델을 사용하여 운동량에 의존하는 스핀 텍스처를 갖는 ASMLSs를 생성한다.
• BCS 평균장 이론을 적용하여 스핀에 따라 다른 초전도 갭 Δ± = Δeff(1 ∓ D)를 유도하며, 여기서 D는 코플러 쌍의 운동량으로 인한 도플러 이동이다.
• 산란 행렬식 formalism을 사용하여 안드레에프 반사 확률과 초전류를 계산하며, 전류는 도플러 이동 D에 의존한다.
• 두 가지 플랫폼에서의 운반 특성을 분석한다: 토폴로지 양자 스핀홀 인산화물(QSHI)과 라슈바 스핀오비트 결합을 갖는 반도체 이종구조.
• 다이오드 효율 η = (Ic+ − Ic−)/(Ic+ + Ic−) 가 ASMLS 분산의 게이팅 유도 이동에 따라 도플러 이동 D를 제어함으로써 게이팅에 의해 조절 가능하다는 것을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비대칭 스핀-모멘텀 고정 상태를 갖는 시스템에서 전자기적 게이팅을 통해 외부 자기장 없이도 조지프슨 다이오드를 실현할 수 있는가?
• RQ2 ASMLSs 내에서 피에르 수준의 게이팅 제어가 유한한 운동량을 가진 비대칭 초전류를 어떻게 조절하는가?
• RQ3 토폴로지 보호가 필드효과 조지프슨 다이오드에서 다이오드 효율을 향상시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 반도체 기반 시스템에서 평면 내 제이만 필드의 방향과 강도는 다이오드 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 톱올로지적 및 전통적 반도체 플랫폼에서 다이오드 효율은 어느 정도 전기적으로 조절 가능한가?

주요 결과

• 필드효과 조지프슨 다이오드(FEJD)는 비대칭 스핀-모멘텀 고정 상태(ASMLSs) 내에서 전기적 제어를 통해 유한한 운동량을 가진 코플러 쌍을 이용함으로써 게이팅에 의해 조절 가능한 다이오드 효율을 실현한다.
• 토폴로지 QSHI 플랫폼에서는 보호된 헬리컬 표면 상태가 비손실 전류를 운반하므로 다이오드 효율이 크게 향상된다.
• 도플러 이동 D ≈ 0.91일 때 다이오드 효율이 최대 약 η ≈ 0.91에 도달하며, 이는 t = 0.1일 때 약 10 meV 정도의 게이팅 전압으로 달성 가능하다.
• 예상되는 임계 전류는 약 ∼10 nA 범위이며, 현재의 측정 능력과 일치하여 실험적으로 검출 가능하다.
• 반도체 기반 FEJD에서는 전도성 초전도 채널 수에 따라 세 가지 영역을 보이며, 영역 II에서는 패러몬-페로 타입 간섭으로 인해 진동하는 행동을 보인다.
• 평면 내 제이만 필드가 정렬축과 평행할 때(φm = nπ) 다이오드 효율은 사라지지만, 분산 이동을 최대화하도록 정렬할 경우 최대 효율을 보이며, 이는 ASMLSs가 비대칭성의 핵심 역할을 한다는 것을 확인한다.