[논문 리뷰] Approaching ideal rectification in superconducting diodes through multiple Andreev reflections

Alex Zazunov, Jérôme Rech외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 27.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 두 초전도체 사이의 짧은 약한 연결부에서 다중 어레예브 반사(MAR)를 포함한 전압 바이어스된 초전도 다이오드를 분석하고, 고 투과도 및 qξ→1에서 서브갭 전압에서 MAR이 거의 이상적인整整 정류(η→1)를 낳을 수 있음을 보인다.

ABSTRACT

We analyze the rectification properties of voltage-biased Josephson junctions exhibiting the superconducting diode effect. Taking into account multiple Andreev reflection (MAR) processes in our scattering theory, we consider a short weak link of arbitrary transparency between two superconductors with finite Cooper pair momentum $2q$. In equilibrium, the diode efficiency is bounded from above in this model, with maximal efficiency $η_0\approx 0.4$. Out of equilibrium, we find a rich subharmonic structure in the current-voltage curve. For high transparency and low bias voltage $V$, the rectification efficiency $η(V)$ approaches the ideal value $η=1$ for $qξ o 1$ (with coherence length $ξ$).

연구 동기 및 목표

• MAR 과정이 유한 Cooper 쌍 모 momentum를 가진 전압 바이어스된 Josephson 다이오드의 정류에 어떤 영향을 미치는지 이해한다.
• 다이오드 효율 η(V)와 MAR, 투명도, 모 momentum 의 의존성을 정량화한다.
• 정류가 이상적인 한계 η=1에 접근하는 매개변수 영역을 식별한다.
• Doppler 쉬프된 갱 Δ±가 서브하모닉 MAR 특징 및 정류에 어떤 영향을 주는지 밝힌다.

제안 방법

• 임의의 투명도를 갖는 두 초전도체 사이의 짧은 약한 연결부를 위한 산란 이론을 적용하며 Cooper 쌍 모 momentum를 2q로 본다.
• BdG 형식과 매칭 조건을 사용하여 finite 전압에서 접합부를 가로지르는 MAR 산란 상태를 구성한다.
• MAR 진폭에 대한 재귀 관계를 도출하고 에너지적 MAR 기여를 적분으로 표현하여 전류 I(V)를 얻는다.
• 페르미 분포와 도플러 쉬프된 상태밀도(Doppler-shifted densities of states)를 이용해 전류를 계산하고 I(V)와 η(V)를 얻는다.
• 충돌(탄직) 국면(T=1) 및 비탄직 경우를 분석하고, 서브갭 및 고전압 영역에서 MAR 사다리로 결과를 해석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MAR 과정이 유한 Cooper 쌍 모 momentum를 가진 전압 바이어스된 Josephson 다이오드의 I-V 특성에 어떤 변화를 주는가?
• RQ2 고려된 모델의 평형에서의 최대 정류 효율 η0는 얼마이며, 비평형에서 η(V)가 1에 접근할 수 있는 조건은 무엇인가?
• RQ3 접합 투명도와 qξ가 서브하모닉 구조 및 정류에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 Doppler 쉬프된 갱 Δ±가 MAR 관련 특징과 정류에서 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 평형에서 다이오드 효율은 고려된 모델에 대해 최대 η0 ≈ 0.4로 제한된다.
• 비평형에서 MAR로 인한 전류-전압 곡선에 서브하모닉 구조가 풍부하게 나타난다.
• 높은 투명도와 낮은 바이어스 전압에서 qξ → 1일 때 η(V)가 이상적 값 η = 1에 근접한다.
• 볼리틱( T=1) 한계에서 q ≠ 0인 I(V)는 Iq=0(V)와 Cooper 쌍 모 momentum 전류의 이동으로 같아지며, η(V) = (4eΔ/ h)(qξ)/Iq=0(V)이다.
• subgap 정류는 MAR 및 Doppler 쉬프된 갱들에 의해 강화되며, 2Δ±/eV = n (정수 n)에서 공명 및 반공명이 나타난다.
• 고전압에서 eV ≫ Δ일 때 η(eV)는 η ≈ A(qξ, T) (Δ/(eV))로 스케일되며, T=1일 때 A ≈ 2qξ이고 유한 T일 때 A ≈ 2qξT이다.