[논문 리뷰] Microwave-Tunable Diode Effect in Asymmetric SQUIDs with Topological Josephson Junctions

Joseph J. Cuozzo, W. Pan외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 29.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 68인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 위상적 조지프슨 접합(4π 주기성 전류-위상 관계를 가짐)과 전통적인 2π 주기성 접합을 포함하는 비대칭 SQUID에서 마이크로파 조절이 가능한 조지프슨 다이오드 효과를 제안한다. 정상 저항의 비대칭성과 교류(AC) 편향을 적용함으로써 다이오드의 극성이 가역적으로 제어되며, 이는 위상적 SQUID에서 기존의 비위상적 SQUID보다 효율이 향상된 동적 마이크로파 구동 정류를 가능하게 한다.

ABSTRACT

In superconducting systems in which inversion and time-reversal symmetry are simultaneously broken the critical current for positive and negative current bias can be different. For superconducting systems formed by Josephson junctions (JJs) this effect is termed Josephson diode effect. In this work, we study the Josephson diode effect for a superconducting quantum interference device (SQUID) formed by a topological JJ with a 4$π$-periodic current-phase relationship and a topologically trivial JJ. We show how the fractional Josephson effect manifests in the Josephson diode effect with the application of a magnetic field and how tuning properties of the trivial SQUID arm can lead to diode polarity switching. We then investigate the AC response and show that the polarity of the diode effect can be tuned by varying the AC power and discuss differences between the AC diode effect of asymmetric SQUIDs with no topological JJ and SQUIDs in which one JJ is topological.

연구 동기 및 목표

• 위상적 초전도성으로 인해 4π 주기성 전류-위상 관계를 갖는 한 조지프슨 접합을 포함하는 비대칭 SQUID에서의 조지프슨 다이오드 효과(JDE)를 연구하는 것.
• 자기율속도, 인덕도, SQUID 팔 간 정상 저항의 비대칭성이 다이오드 극성과 효율에 미치는 영향을 탐구하는 것.
• 교류(AC) 편향을 통한 다이오드 효과의 동적 제어를 통해 정류 방향을 제어할 수 있음을 보여주는 것.
• 비위상적 2π-2π SQUID와 비교하여 위상적 2π-4π SQUID의 다이오드 효율성 및 정류 창의 성능을 평가하는 것.

제안 방법

• 자기율속도 양자화와 비자명한 전류-위상 관계를 포함한 저항성으로 끊어진 접합(RSJ) 형식에 기반한 분석 모델을 개발하였다.
• 전압 편향 하에서의 교류 조지프슨 효과를 기술하기 위해 자카비-앙거 전개와 베셀 함수를 사용하여 SQUID의 효과적 초전류를 유도하였다.
• 비대칭성과 4π 주기성으로 인한 비대칭 응답을 기록하기 위해 전류-위상 관계에余弦 및 사인 조화를 모두 통합하였다.
• 비판적 전류의 차이 $ \Delta I_c $ 와 평균 비판적 전류 $ I_{\text{avg}} $ 를 모델링하기 위해 $ W_{4\tilde{\pi}} $, $ R_{21} $, $ \beta_L $, 및 $ \Phi $ 등의 파라미터를 사용하였다.
• 기존 SQUID와 2π-4π SQUID 양쪽 모두에 대해 교류 응답의 수치 시뮬레이션을 수행하여 분석 결과를 검증하였다.
• 영구적 고조파(예: $ \sin(2\phi_A) $)가 영구적 비상호성 응답을 생성하는 역할을 하며, 외부 자기율속도가 없을 때에도 기여함을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비대칭 SQUID에 4π 주기성 조지프슨 접합이 존재할 경우 조지프슨 다이오드 효과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 SQUID 팔 간 정상 저항의 비대칭성으로 다이오드 극성을 뒤바꿀 수 있는가?
• RQ3 SQUID의 교류 응답을 통해 마이크로파 전력 조절을 통해 다이오드 효과를 얼마나 잘 조절할 수 있는가?
• RQ4 비위상적 2π-2π SQUID와 비교할 때 위상적 2π-4π SQUID는 다이오드 효율성 및 정류 창 측면에서 어떤 성능을 보이는가?
• RQ5 전류-위상 관계의 고조파가 영구적 비상호성 초전류 흐름을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 2π-4π SQUID는 비대칭성에 따라 조정 가능한 비판적 전류 차이 $ \Delta I_c $ 를 갖는 견고한 조지프슨 다이오드 효과를 나타낸다.
• 저항 비대칭성이 변경될 경우 다이오드 극성이 반전되며, 이는 초전류 정류 방향에 대한 능동적 제어를 가능하게 한다.
• 마이크로파 교류 편향을 통해 다이오드 효과를 동적으로 조절할 수 있다: 교류 전력 증가에 따라 다이오드 효율이 향상되고 극성 전환이 가능해진다.
• 위상적 SQUID는 비위상적 SQUID보다 더 넓은 정류 전류 창 $ \Delta I_c $ 를 보이며, 유사한 다이오드 효율에도 불구하고 더 높은 실용적 품질을 나타낸다.
• 교류 응답의 수치 시뮬레이션 결과는 분석 예측과 뛰어난 일치를 보이며, 다양한 교류 전력과 자기율속도에서 모델의 정확성을 검증하였다.
• 영구적 자기율속도에서 고조파(예: $ \sin(2\phi_A) $)가 비대칭성으로 인해 효과적 초전류에 기여하여 외부 자기율속도 없이도 비상호성 행동을 가능하게 한다.