[论文解读] Current Induced Switching of Superconducting Order and Enhancement of Superconducting Diode Efficiency

Uddalok Nag, Jonathan Schirmer+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2026

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 0

一句话总结

该论文表明，在平行磁场下、双层超导体接近 BCS 与轨道 FFLO 有序之间的转变时，电流诱导的超导序能在一个电流方向上实现切换，从而显著提高超导二极管效率。

ABSTRACT

We propose that the superconducting diode (SD) efficiency can be significantly enhanced near the transition between two superconducting states by choosing parameters where, before the system goes normal with increasing supercurrent, it switches into a different superconducting order for one direction of the current but not for the other. This mechanism for producing high SD efficiency relies on the expectation that the critical current depends sensitively on the superconducting order. We demonstrate this explicitly by performing detailed calculations for a bilayer superconductor with an in-plane magnetic field, which admits the standard Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) and the orbital Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) orders as a function of the strength of the magnetic field. We predict a sharp peak in the SD efficiency in the FFLO state close to the transition, which arises from a complex interplay between the two superconducting orders. An implication of our study is that the measurement of the SD efficiency can provide fundamental insight into the nature of the BCS-FFLO transition both as a function of the magnetic field and the supercurrent.

研究动机与目标

• 在两种超导态（BCS 与 FFLO）之间的转变附近，动机与解释如何放大 SD（超导二极管）效率。
• 在平行磁场下的双层超导体中证明，电流方向可以切换序参数（BCS 与 FFLO）并提高 SD 效率。
• 提供理论框架，将临界电流、序参数和层间涡旋与 SD 性能联系起来。
• 提出通过 SD 测量可以揭示 BCS-FFLO 转变在场和电流的函数关系的细节。

提出的方法

• 为带有层间约瑟夫森耦合并且层间反演对称性破缺的双层系统，定出 Ginzburg–Landau 自由能。
• 通过矢量势将平行磁场引入，并定义 q 与 qB 来控制电流与磁场。
• 推导层间相位差的正弦高斯方程，并利用其解得到凝聚能 Econ(q,qB)。
• 通过对最小化的凝聚能求解的超电流 I_x，确定对向电流方向的临界电流 Ic^+ 与 Ic^-。
• 在 qB–Ix 平面分析相图，以区分 BCS 和 FFLO 状态以及电流诱导的转变。
• 评估超导二极管效率 η 的由临界电流不对称性及其对序切换的依赖。

Figure 1 : Upper panels: Ground state energy $E_{\rm con}$ versus momentum $q$ . The results are shown for a bilayer with asymmetry parameter $a=0.1$ at three magnetic field ( $q_{B}$ ) values. Lower panels: Supercurrent $I_{x}=2e\partial E_{\rm con}/\partial q$ versus $q$ . When a given $I_{x}$ is

实验结果

研究问题

• RQ1 平行磁场如何影响双层超导体中 BCS 与轨道 FFLO 有序的竞争？
• RQ2 是否存在一个超电流在一个电流方向上诱发 BCS 与 FFLO 状态之间的切换，而在相反方向上不发生，从而提高 SD 效率？
• RQ3 层间涡旋、序参数不对称性与在 BCS–FFLO 转变附近的 SD 效率之间的关系是什么？

主要发现

• 在某些 qB 值下存在将 FFLO 与 BCS 之间的电流诱导切换，导致临界电流不对称。
• SD 效率 η 在转变附近的 FFLO 一侧呈现尖锐峰值，这是由于两种有序状态与层间涡旋的耦合。
• 对小的反演对称性破缺不对称性 a，η 的提升较显著，并在高 qB 时持续，直至涡旋密度达到解耦层极限。
• 不对称的双层（α1 ≠ α2）会产生 Ic^+ ≠ Ic^-，因此存在非零 η，与对称情形不同。
• 该机制不需要自旋轨道耦合，与平行场下的层间涡旋效应相关。

Figure 2 : (a) Phase diagram of the symmetric bilayer ( $\alpha_{1}=\alpha_{2}=-10$ ) as a function of the current $I_{x}$ (in units of $I_{c}^{+}(0)$ , the critical current at zero magnetic field) and $q_{B}\propto B$ ( $q_{B}$ is $2\pi$ times the number of magnetic flux quanta per unit length). Th