[논문 리뷰] Superconducting Diode Effect and Large Magnetochiral Anisotropy in T$_d$-MoTe$_2$ Thin Film

Wan-Shun Du, Weipeng Chen외 15명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 16.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materialsMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 약한 외면자 자기장 하에서 질서가 깨진 T$_d$-MoTe$_2$ 박막에서 초전도 다이오드 효과와 큰 자기장-비대칭 이성도를 입증한다. 다이오드 효과는 중심이 없는 초전도성에 의해 유도되는 비틀림 랩터 메커니즘에 기인하며, 다이오드 효율이 약 20%에 도달하고, 자기장-비대칭 이성도 계수는 $5.9\times10^8\,\mathrm{T^{-1}\,A^{-1}}$에 이르며, 비대칭 스핀-오르빗 결합에 의해 구분되는 비대칭 전도가 지배한다.

ABSTRACT

In the absence of time-reversal invariance, metals without inversion symmetry may exhibit nonreciprocal charge transport -- a magnetochiral anisotropy that manifests as unequal electrical resistance for opposite current flow directions. If superconductivity also sets in, the charge transmission may become dissipationless in one direction while remaining dissipative in the opposite, thereby realizing a superconducting diode. Through both direct-current and alternating-current measurements, we study the nonreciprocal effects in thin films of the noncentrosymmetric superconductor T$_d$-MoTe extsubscript{2} with disorders. We observe nonreciprocal superconducting critical currents with a diode efficiency close to 20\%~, and a large magnetochiral anisotropy coefficient up to $\SI{5.9e8}{\per esla\per\ampere}$, under weak out-of-plane magnetic field in the millitesla range. The great enhancement of rectification efficiency under out-of-plane magnetic field is likely abscribed to the vortex ratchet effect, which naturally appears in the noncentrosymmetric superconductor with disorders. Intriguingly, unlike the finding in Rashba systems, the strongest in-plane nonreciprocal effect does not occur when the field is perpendicular to the current flow direction. We develop a phenomenological theory to demonstrate that this peculiar behavior can be attributed to the asymmetric structure of spin-orbit coupling in T$_d$-MoTe extsubscript{2}. Our study highlights how the crystallographic symmetry critically impacts the nonreciprocal transport, and would further advance the research for designing the superconducting diode with the best performance.

연구 동기 및 목표

• 약한 외면자 자기장 하에서 질서가 깨진 T$_d$-MoTe$_2$ 박막에서의 비대칭 전도를 조사하기 위해.
• 중심이 없는 초전도체에서 강화된 초전도 다이오드 효과와 큰 자기장-비대칭 이성도의 기원을 이해하기 위해.
• 결정학적 대칭성과 스핀-오르빗 결합의 이방성이 초전도체 시스템에서 방향성 전하 전도에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 면내 자기장 하에서 비대칭 효과의 각도 의존성을 설명하는 현상학적 이론을 개발하기 위해.

제안 방법

• 화학 기상 이동 성장 및 분리 방법을 통해 고품질의 T$_d$-MoTe$_2$ 박막을 제작하였다.
• 약 10 mK에서 작동하는 냉각기로 저온 사단자 전도 측정을 수행하였다.
• 락인 검출을 사용하여 미분 저항과 고조파 신호를 측정하기 위해 직류 및 교류 전류를 가하였다.
• 벡터 초전도 자기장계를 사용하여 외면자 및 면내 자기장을 각각 최대 10 mT까지 적용하였다.
• 다이오드 전압 신호를 추출하고 비대칭성을 정량화하기 위해 제2고조파 전압($V_{2\omega}$)을 측정하였다.
• 비대칭 스핀-오르빗 결합을 기반으로 한 현상학적 모델을 개발하여 자기장-비대칭 이성도의 각도 의존성을 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약한 외면자 자기장 하에서 질서가 깨진 T$_d$-MoTe$_2$ 박막에서 초전도 다이오드 효과는 무엇에 기인하는가?
• RQ2 왜 면내 자기장-비대칭 이성도가 가장 클 때 자기장이 전류 흐름과 수직인 $\varphi = 90^\circ$에서 발생하지 않는가? 라슈바 체계와는 다름.
• RQ3 T$_d$-MoTe$_2$에서의 비대칭 스핀-오르빗 결합의 구조는 비대칭 전도의 각도 의존성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 비순차 초전도 박막에서 정류 효율을 향상시키는 데 비틀림 랩터 효과가 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 스핀-오르빗 결합 매개변수를 기반으로 한 현상학적 모델이 관측된 비대칭 신호의 각도 변화를 정확히 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 10 mT의 외면자 자기장 하에서 다이오드 효율이 약 20%에 이르는 초전도 다이오드 효과를 관측하였다.
• 약한 외면자 자기장 하에서 자기장-비대칭 이성도 계수가 $5.9\times10^8\,\mathrm{T^{-1}\,A^{-1}}$에 이르는 큰 값을 보였다.
• 면내 자기장 하에서 가장 강한 비대칭 반응이 전류 흐름과 수직인 $\varphi = 90^\circ$에서 발생하지 않아, 라슈바 체계의 기대와는 다름.
• 비대칭 전도 신호의 각도 의존성이 두 개의 비대칭 루프를 보이며, 비대칭 스핀-오르빗 결합 매개변수를 가진 현상학적 모델에 의해 재현되었다.
• 비틀림 랩터 효과가 비순차 T$_d$-MoTe$_2$ 박막에서 정류 효율을 향상시키는 핵심 메커니즘이라고 규명되었다.
• 이론적 모델링을 통해 유한한 $\alpha_3$ 항과 스핀-오르빗 결합에서 $\alpha_1, \alpha_2$ 계수가 서로 다를 때 비대칭 각도 반응이 발생하는 것이 필수적임을 확인하였다.