[論文レビュー] Surface supercurrent diode effect

Noah F. Q. Yuan|arXiv (Cornell University)|May 7, 2023

Iron-based superconductors researchMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、平面磁場下における表面状態を有する三次元超伝導体において、表面状態のマイスナー効果が時間反転および空間反転対称性を破ることで、非可逆的臨界電流を実現する、新規な表面超伝導電流ダイオード効果（SSDE）を提案する。従来の2次元系におけるスピン軌道結合に依存する超伝導電流ダイオード効果とは異なり、SSDEは広い磁場範囲で完全なダイオード特性（η = 1）を達成する。これはギンツブルグ＝ランダウ理論および鉄系超伝導体表面における数値計算によって実証されている。

ABSTRACT

We propose a new type of supercurrent diode effect on the surface of a superconductor with surface states under in-plane magnetic fields. Surface supercurrent diode effect can lead to a perfect supercurrent diode in a considerably wide range of fields. For comparison, the conventional supercurrent diode effect due to the spin-orbit coupling in a two-dimensional superconductor cannot be perfect in usual cases. Candidates such as the (001) surface of iron-based superconductors BaFe$_{2-x}$Co$_x$As$_2$ are discussed. Calculations are performed under the Ginzburg-Landau formalism.

研究の動機と目的

• 従来の2次元系におけるスピン軌道結合に依存しない、超伝導電流ダイオード効果（SDE）の新たなメカニズムの同定および理論的記述を目的とする。
• 平面磁場下における三次元超伝導体の表面状態が、非可逆的超伝導電流の源として果たす役割を明らかにすることを目的とする。
• 表面状態のマイスナー効果が、広い磁場範囲でη = 1の完全な超伝導電流ダイオードを誘発できることを示すこと。
• ギャルバノ＝ランダウ形式を用いた理論的枠組みを提供し、コープル対運動量の高次項を含む既存のSDE理論を統合・拡張すること。

提案手法

• 平面磁場およびコープル対運動量qに依存する項を含む、三次元超伝導体の表面状態におけるギンツブルグ＝ランダウ自由エネルギーを定式化する。
• 非可逆的臨界電流を捉えるために、qに関して四次までの自由エネルギー展開を行い、可逆性を破るために二次係数σにq線形項を導入する。
• ゲージポテンシャルAに関して自由エネルギーの汎関数微分を実行し、超伝導電流密度J ∝ ∂σ/∂qを導出する。
• 平均場理論およびBdGハミルトニアンを用いて、フェルミ面積分およびディガンマ関数を含む特殊関数を組み込んだσ(q)を微視的に計算する。
• 非摂動的表現を用いて超伝導電流ダイオード係数η = (J⁺_c − J⁻_c)/(J⁺_c + J⁻_c)を評価し、関数g(x)を含む式を用いる。ここでx = b√|σ₀|/a³である。
• 特殊関数（例：φ(x)）の数値的積分および展開を実行し、GL係数を抽出し、磁場および温度の関数としてηを分析する。

Figure 1: Supercurrent diode coefficient $\eta$ under in-plane magnetic field $H$ and temperature $T$ in the surface supercurrent diode effect, when field and current are perpendicular. The solid blue line denotes the in-plane critical field $H_{c3\parallel}$ for surface superconductivity, and the d

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三次元超伝導体の表面状態のマイスナー効果が、スピン軌道結合に依存せずに非可逆的超伝導電流ダイオード効果を引き起こすことができるか？
• RQ2 平面磁場下における表面超伝導電流ダイオード効果における超伝導電流ダイオード係数ηの定量的挙動はいかなるものか？
• RQ3 2次元系におけるスピン軌道結合を有する従来の超伝導電流ダイオード効果と比較して、表面超伝導電流ダイオード効果はどのような特徴を示すか？
• RQ4 ηが1に達する条件は何か。これは完全なダイオード特性を示す。
• RQ5 表面超伝導電流ダイオード効果における非可逆性の微視的起源は何か？

主な発見

• 表面超伝導電流ダイオード効果（SSDE）は、広い範囲の平面磁場において完全なダイオード係数η = 1を達成し、一方の方向では抵抗がゼロで、反対方向では有限な臨界電流を示す非可逆的臨界電流を実現する。
• SSDEにおける臨界電流の非可逆性は、表面状態のマイスナー効果と平面磁場の相互作用に起因し、時間反転および空間反転対称性が破られる。
• 超伝導電流ダイオード係数ηは、非摂動的関数g(x)として導出され、主要な挙動はη ≈ √(|σ₀|/(3a³)) × bで与えられる。ここでbはσ(q)におけるq線形係数である。
• 数値的結果から、磁場が臨界値H_Mを超えるとηが1に達することが示され（図1の破線オレンジ線で示す）、この領域では完全なダイオード状態に遷移する。
• 鉄系超伝導体BaFe₂₋ₓCoₓAs₂の(001)表面など、表面状態が理論モデルと整合する材料において、表面超伝導電流ダイオード効果は頑健である。
• 理論は、2次元系におけるスピン軌道結合を伴う従来のSDEと、3次元系における表面状態を伴うSSDEを、ギンツブルグ＝ランダウ形式で統合・拡張し、両者とも非可逆的臨界電流をη ∈ [−1, 1]で定量的に記述する。

Figure 2: Supercurrent diode coefficient $\eta$ under in-plane magnetic field $B$ and temperature $T$ in the conventional supercurrent diode effect of a Rashba superconductor, when the supercurrent and the magnetic field are perpendicular.