[论文解读] Field-Effect Josephson Diode via Asymmetric Spin-Momentum-Locking States

Pei-Hao Fu, Yong Xu+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2022

Quantum and electron transport phenomena参考文献 103被引用 11

一句话总结

本文提出了一种场效应约瑟夫森二极管（FEJD），通过利用非对称自旋-动量锁定态（ASMLSs），在无外加磁场条件下实现栅压可调的非互易超流。通过静电栅压调控，系统在ASMLSs中诱导出具有有限动量的库珀对，从而实现通过可调多普勒频移和自旋依赖的超导能隙对二极管效率的电控。拓扑平台因受保护的边缘态而展现出增强的性能。

ABSTRACT

Recent breakthroughs in Josephson diodes dangle the possibility of extending conventional non-reciprocal electronics into the realm of superconductivity. While a strong magnetic field is recognized for enhancing diode efficiency, it concurrently poses a risk of undermining the essential superconductivity required for non-dissipative devices. To circumvent the need for magnetic-based tuning, we propose a field-effect Josephson diode based on the electrostatic gate control of finite momentum Cooper pairs in asymmetric spin-momentum-locking states. We propose two possible implementations of our gate-controlled mechanism: (i) a topological field-effect Josephson diode in time-reversal-broken quantum spin Hall insulators; and (ii) semiconductor-based field-effect Josephson diodes attainable in current experimental setups involving a Zeeman field and spin-orbit coupling. Notably, the diode efficiency is highly enhanced in the topological field-effect Josephson diode because the current carried by the asymmetric helical edge states is topologically protected and can be tuned by local gates. In the proposed Josephson diode, the combination of gates and asymmetric spin-momentum-locking nature is equivalent to that of a magnetic field, thus providing an alternative electrical operation in designing nonreciprocal superconducting devices.

研究动机与目标

• 为克服基于磁场的约瑟夫森二极管中磁场调控带来的超导破坏问题。
• 开发一种全电控的约瑟夫森二极管机制，避免使用外部磁场，同时保持高二极管效率。
• 利用非对称自旋-动量锁定态（ASMLSs）替代磁场，以打破时间反演对称性。
• 在拓扑量子自旋霍尔绝缘体和具有自旋轨道耦合与塞曼场的常规半导体中均证明其可行性。
• 通过调控ASMLSs中库珀对的动量和多普勒能量频移，实现栅压可调的二极管效率。

提出的方法

• 利用静电栅压调节费米能级，并在ASMLSs中诱导出具有有限动量的库珀对，模拟塞曼场的作用。
• 采用包含自旋轨道耦合和面内塞曼场的哈密顿量模型，生成具有动量依赖自旋纹理的ASMLSs。
• 应用BCS平均场理论推导出自旋依赖的超导能隙 Δ± = Δeff(1 ∓ D)，其中 D 为库珀对动量引起的多普勒频移。
• 利用散射矩阵形式计算Andreev反射概率和超流，电流依赖于多普勒频移 D。
• 在两种平台中分析输运行为：拓扑量子自旋霍尔绝缘体（QSHI）和具有Rashba自旋轨道耦合的半导体异质结构。
• 证明二极管效率 η = (Ic+ − Ic−)/(Ic+ + Ic−) 可通过调控 D 实现栅压可调，而 D 取决于ASMLS色散关系的栅压诱导位移。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在具有非对称自旋-动量锁定态的体系中，通过静电栅压调控实现无外加磁场的约瑟夫森二极管？
• RQ2 在ASMLSs中，栅压对费米能级的调控如何导致可调的非互易超流？
• RQ3 拓扑保护在场效应约瑟夫森二极管中如何增强二极管效率？
• RQ4 在基于半导体的体系中，面内塞曼场的方向和强度如何影响二极管效率？
• RQ5 在拓扑和常规半导体平台中，二极管效率在多大程度上可实现电控调节？

主要发现

• 场效应约瑟夫森二极管（FEJD）通过调控非对称自旋-动量锁定态（ASMLSs）中有限动量库珀对的电控，实现了栅压可调的二极管效率。
• 在拓扑QSHI平台中，由于受保护的螺旋边缘态可承载无耗散电流，二极管效率显著增强。
• 当多普勒频移 D ≈ 0.91 时，二极管效率可达 η ≈ 0.91，该条件在 t = 0.1 时可通过约 10 meV 的栅压实现。
• 预测临界电流在 ∼10 nA 范围内，与当前实验测量能力一致。
• 在基于半导体的FEJD中，二极管效率表现出三种行为区域，其中第二区域因Fabry-Pérot干涉导致振荡行为。
• 当面内塞曼场与量化轴平行（φm = nπ）时，二极管效率归零；而当其方向使色散位移最大化时效率达到峰值，证实ASMLSs在非互易性中的关键作用。