[논문 리뷰] Signatures of Topological Superconductivity and Josephson Diode Effects on the Magnetocurrent-Phase Relation of Planar Josephson Junctions

B. Pekerten, A. Chilampankunnel Prasannan외 1명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 08.

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한 줄 요약

논문은 Rashba SOC가 있는 근접 강전자 planar JJs에서 평면에서의 자기-CPR이 국부상(ground-state) 위상을 드러낼 수 있으며, Rashba SOC 강도, 두 번째 혼합 스핀 감수성, 위상 다이어그램을 포함한 Josephson 다이오드 효과까지 확인하는 이론적 프레임워크를 제시한다.

ABSTRACT

We present a theoretical study of proximitized planar Josephson junctions (JJs) with Rashba spin-orbit coupling (SOC) subject to an in-plane magnetic field and demonstrate that the magneto-current-phase relation (magneto-CPR) provides a powerful and unified probe of their microscopic and topological properties. By analyzing the full phase and Zeeman-field dependence of the supercurrent, we show that magneto-CPR measurements allow one to reconstruct the ground-state phase that minimizes the system's free energy in the absence of phase bias. This reconstructed phase generally displays 0-pi-like transitions as a function of the Zeeman energy, and we demonstrate that the magnitudes of the associated phase jumps provide quantitative information about the Rashba SOC. We further show that the mixed phase-field response encoded in the magneto-CPR enables the extraction of the second mixed spin susceptibility, which serves as a sensitive diagnostic of gap closings and can be used to construct a superconducting topological phase diagram in terms of the relative topological gap. In addition, the magneto-CPR yields the field dependence of the forward and reverse critical currents, allowing one to characterize the Josephson diode effect and its connection to the Zeeman field, Rashba SOC, and junction transparency. Our results establish magneto-CPR measurements as a versatile spectroscopic tool that can be used to extract key system parameters and provide evidence of topological superconducting phases in planar JJs.

연구 동기 및 목표

• 평면 JJs를 위상 초전도성 및 SOC 효과를 탐지하는 플랫폼으로 제시한다.
• 자기-CPR이 바닥 상태 위상을 암호화하고 위상 편향 없이 재구성을 가능하게 하는 방법을 보인다.
• GS-상(ground-state) 위상 점프가 Rashba SOC 강도에 어떻게 매핑되는지 정량적으로 설명하고 위상 다이어그램을 분석한다.
• 자기-CPR이 Zeeman 필드와 SOC에 연결된 전방/역방 임계전류와 다이어드 효과를 제공함을 보여준다.

제안 방법

• Rashba SOC를 갖는 프로시미틱 planar JJ를 Bogoliubov-de Gennes 해밀토니안(Eqs. (1)–(2))으로 모델링한다.
• Eq. (4)와 같이 F=sum_l E_l^<로 BdG 스펙트럼으로부터 0온도 자유에너지 F를 계산한다.
• Magneto-CPR I(phi,B)= (2e/ħ) dF/dphi를 도출하고 Eq. (6)로 I_c^+ 및 I_c^-를 정의한다.
• 띄어쓰기 없는 전달한 한정(translationally invariant) 한계 및 델타-장벽 접합에서 GS 위상과 SOC를 magneto-CPR에 연결하는 해석적 근사치를 제공한다.
• BdG 스펙트럼을 풀고 F, I, 두 번째 혼합 스핀 감수성을 Eq. (4)–(6)와 (28)로부터 추출하기 위해 수치적 Tight-binding Kwant 시뮬레이션을 사용한다.
• GS 위상 점프, SOC, 위상 전이 간의 연결 고리를 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 위상 편향된 vs 위상 편향되지 않은 평면 JJ에서 magneto-CPR 측정이 GS 위상을 재구성하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 GS-상 점프 크기가 Rashba SOC 강도와 정량적으로 어떻게 관련되는가?
• RQ3 magneto-CPR에서 추출된 두 번째 혼합 스핀 감수성은 위상 다이어그램과 갭 크기를 어떻게 매핑하는가?
• RQ4 SOC, Zeeman 필드, 접합 투명도 측면에서 magneto-CPR과 Josephson 다이어드 효과의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• Magneto-CPR 측정을 통해 위상 편향이 없는 상태에서 자유에너지를 최소화하는 GS 위상을 재구성할 수 있다.
• Zeemann 에너지에 따른 GS-상 점프는 Eq. (24)와 같은 도출 관계를 통해 Rashba SOC에 대한 정량적 정보를 제공한다.
• Eq. (28)를 통해 magneto-CPR에서 도출되는 두 번째 혼합 스핀 감수성은 갭 클로징을 추적하고 상대 위상 갭을 통한 초전도 위상 다이어그램 매핑을 가능하게 한다.
• Magneto-CPR은 전방/역방 임계전류의 필드 의존성을 제공하며, 이는 Zeeman 필드, SOC, 접합 투명도와 연결된 비반대 방향 Josephson 다이어드 효과를 설명한다.
• 수치적 및 해석적 결과는 GS-상 거동에 대한 강한 SOC 의존성을 보여주고, Tight-binding 시뮬레이션과 해석식(Eq. (23)와의 정성적 일치를 보인다).
• GS-상 경로를 따라 두 번째 혼합 스핀 감수성과 결합하여 magneto-CPR로부터 위상 다이어그램을 추출하는 전략을 제안한다.