[논문 리뷰] Supercurrent diode effect and finite momentum superconductivity

Noah F. Q. Yuan, Liang Fu|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 03.

Electronic and Structural Properties of Oxides참고 문헌 39인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 라슈바 스핀오비트 결합과 비대칭성의 붕괴를 가진 2차원 초전도체에서, 면내 자기장이 유한한 동역량을 가진 쿠퍼 쌍을 유도함으로써 초전류 다이오드 효과의 내재적 메커니즘을 제안한다. 이로 인해 시간역전 및 대칭성의 붕괴로 인해 정방향과 반대방향에서 비등가인 비상호적 임계전류가 발생하며, 이는 FF 전이점 근처에서 이상적인 다이오드(다이오드 계수 δ = −1)를 가능하게 한다.

ABSTRACT

When both inversion and time-reversal symmetries are broken, the critical current of a superconductor can be nonreciprocal. In this work we show that in certain classes of two-dimensional superconductors with antisymmetric spin-orbit coupling, Cooper pairs acquire a finite momentum upon the application of an in-plane magnetic field, and as a result, critical currents in the direction parallel and antiparallel to the Cooper pair momentum become unequal. This supercurrent diode effect is also manifested in the polarity-dependence of in-plane critical fields induced by a supercurrent. These nonreciprocal effects may be found in polar SrTiO$_3$ film, few-layer MoTe$_2$ in the $T_d$ phase, and twisted bilayer graphene in which the valley degrees of freedom plays the role analogous to spin.

연구 동기 및 목표

• 비대칭성과 시간역전 대칭성이 붕괴된 2차원 초전도체에서 초전류 다이오드 효과의 미시적 이론을 수립하기 위해.
• 면내 자기장에 의해 유도된 유한한 동역량을 가진 쿠퍼 쌍이 비상호적 임계전류를 유도함을 보여주기 위해.
• 초전류 다이오드 효과가 쿠퍼 쌍의 동역량 q₀에 의해 직접적으로 발생하며, 이는 시간역전 대칭성과 대칭성의 붕괴를 초래함을 보여주기 위해.
• 폴라리티를 가진 SrTiO₃, Td 상의 다층 MoTe₂, 그리고 겹쳐진 이중층 그래핀과 같은 물질들이 이 효과의 잠재적 실현 가능성을 식별하기 위해.
• 기존의 FFLO 상태와는 다를 바 있는 비상호적 운반 현상에 기반한 헬리컬 초전도성 탐지에 이론적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 라슈바 스핀오비트 결합과 면내 자기장을 가진 2차원 전자 기체를 해밀토니안 Hₖ = ξₖ + gₖ·σ + B·σ로 모델링하여, 피어미 표면을 스핀 비퇴화된 패치로 분리한다.
• 고르코프-남부 형식을 사용하여 초전류를 유도하며, 유한한 동역량 q를 가진 순서파ramter Δ(r) = Δe^{i q·r}의 기능으로 전류를 표현한다.
• 임계전류 J_c를 쿠퍼 쌍의 동역량 q에 대한 함수로 분석하여, q₀ 근처의 자유 에너지 전개에서의 비대칭성으로 인해 J_c⁺ ≠ J_c⁻임을 보여준다.
• FF 기저 상태 q₀ 근처에서 자유 에너지의 세 번째 차수 전개 α_q를 사용하여 강한 비대칭성을 입증하고, 다이오드 행동을 유도한다.
• 베셀 함수에서 유도된 특수 함수 F(x)를 사용하여 다이오드 계수 δ = (J_c⁺ − J_c⁻)/(J_c⁺ + J_c⁻)를 계산하며, 삼중점에서 δ → −1임을 보여준다.
• FF 전이 근처에서 B = B* 이고 T < T* 일 때, 시스템이 이상적인 다이오드가 되며 δ = −1임을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한한 동역량을 가진 쿠퍼 쌍이 존재하는 2차원 초전도체에서 초전류 다이오드 효과가 내재적으로 발생할 수 있는가?
• RQ2 면내 자기장이 존재할 때, 임계전류는 쿠퍼 쌍의 동역량 q₀에 대한 방향에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 대칭성과 시간역전 대칭성이 붕괴된 초전도체에서 비상호적 임계전류의 기원은 무엇인가?
• RQ4 초전류 다이오드 효과는 기존의 FFLO 상태와는 다를 바 있는 헬리컬 초전도성의 명확한 서명으로 사용될 수 있는가?
• RQ5 이러한 시스템에서 달성 가능한 최대 다이오드 계수는 얼마이며, 어떤 조건에서 완벽한 다이오드(δ = −1)가 달성되는가?

주요 결과

• 면내 자기장에 의해 유도된 유한한 동역량을 가진 쿠퍼 쌍이 2차원 초전도체에서 라슈바 스핀오비트 결합을 통해 초전류 다이오드 효과를 유도한다.
• 임계전류는 비상호적이다: J_c⁺ ≠ J_c⁻이며, 이 차이는 기저 상태 FF 상의 q₀ 근처에서의 자유 에너지 경로의 비대칭성에서 기인한다.
• 삼중점(B = B* 및 T < T*) 근처에서 다이오드 계수는 δ = −1에 도달하며, 이는 q₀ 방향과 반대 방향으로 초전류가 흐를 수 없는 이상적인 다이오드를 의미한다.
• 다이오드 효과는 FF 전이 근처에서 가장 뚜렷하며, 이는 q₀ 근처에서 자유 에너지 전개의 강한 세 번째 차수 비대칭성 때문이며,
• 임계전류의 비대칭성은 직접적으로 쿠퍼 쌍의 동역량 q₀ ∝ B에 기인하며, 이는 조지 필드에 의해 유도되고 순서파ramter의 위상을 조절한다.
• 폴라리티를 가진 SrTiO₃, Td 상의 다층 MoTe₂, 그리고 겹쳐진 이중층 그래핀과 같은 물질에서 이 효과는 강건하며, 이들에서는 밸리도 자유도가 스핀을 모방한다.