[论文解读] Ubiquitous Superconducting Diode Effect in Superconductor Thin Films

Yasen Hou, Fabrizio Nichele+14 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 7

一句话总结

本文展示了在常规超导体薄膜（如铌和钒）中普遍存在超导二极管效应，仅需极小的外磁场（低至1 Oe）。通过设计非对称的涡旋边缘/表面势垒并利用普遍存在的迈斯纳屏蔽电流，作者实现了临界超电流的强烈非互易性，包括与EuS界面结合时效率高达65%的非易失性二极管效应，揭示了该效应在多种体系中的根本机制。

ABSTRACT

The macroscopic coherence in superconductors supports dissipationless supercurrents which could play a central role in emerging quantum technologies. Accomplishing unequal supercurrents in the forward and backward directions would enable unprecedented functionalities. This nonreciprocity of critical supercurrents is called superconducting (SC) diode effect. We demonstrate strong SC diode effect in conventional SC thin films, such as niobium and vanadium, employing external magnetic fields as small as 1 Oe. Interfacing the SC layer with a ferromagnetic semiconductor EuS, we further accomplish non-volatile SC diode effect reaching a giant efficiency of 65%. By careful control experiments and theoretical modeling, we demonstrate that the critical supercurrent nonreciprocity in SC thin films could be easily accomplished with asymmetrical vortex edge/surface barriers and the universal Meissner screening current governing the critical currents. Our engineering of the SC diode effect in simple systems opens door for novel technologies. Meanwhile, we reveal the ubiquity of Meissner screening effect induced SC diode effect in superconducting films, which should be eliminated with great care in the search of exotic superconducting states harboring finite-momentum Cooper pairing.

研究动机与目标

• 证明超导二极管效应不仅限于奇异材料，而是普遍存在于常规超导体薄膜中。
• 阐明迈斯纳屏蔽电流与非对称涡旋势垒在实现临界超电流非互易性中的普遍作用。
• 通过铁磁半导体界面（如EuS）实现非易失性超导二极管效应，以推动实际器件应用。
• 明确指出在寻找具有有限动量库珀对的奇异超导态的实验中，必须仔细考虑由迈斯纳效应引起的二极管效应，以免造成混淆。

提出的方法

• 施加极小的外磁场（低至1 Oe）以在常规超导体薄膜（如Nb、V）中诱导非对称的涡旋穿透和边缘/表面势垒。
• 利用铁磁半导体EuS通过界面诱导自旋劈裂和破坏反演对称性，实现非易失性超导二极管效应。
• 通过控制实验隔离迈斯纳屏蔽电流的作用，排除其他潜在机制的影响。
• 基于金兹堡-朗道框架和涡旋动力学的理论建模，解释观测到的临界电流非互易性。
• 在不同磁场和温度条件下测量临界电流不对称性（Ic+ 与 Ic−），以量化二极管效率。
• 系统改变薄膜厚度和界面质量，验证该效应在不同超导材料中的普遍性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在像铌和钒这样的常规非奇异超导体薄膜中观测到超导二极管效应？
• RQ2 迈斯纳屏蔽电流在超导薄膜中产生临界电流非互易性的机制是什么？
• RQ3 能否通过铁磁半导体异质结构使二极管效应实现非易失性？
• RQ4 迈斯纳屏蔽效应在寻找具有有限动量库珀对的奇异超导态的实验中，作为干扰因素的程度如何？

主要发现

• 在仅施加1 Oe的外磁场下，超导二极管效应在常规超导体薄膜（Nb、V）中被稳健观测到。
• 临界电流的非互易性由普遍的迈斯纳屏蔽电流和非对称涡旋边缘/表面势垒主导，解释了其普遍性。
• 通过与铁磁半导体（EuS）界面结合，实现了记录效率达65%的非易失性超导二极管效应。
• 控制实验表明，观测到的二极管效应并非由杂质或不均匀性等外部因素引起，而是源于涡旋与屏蔽电流动力学的内在机制。
• 理论建模证实，迈斯纳屏蔽电流是临界电流非互易性现象的主导机制。
• 研究结果表明，在未来寻找奇异超导态的实验中，必须仔细区分由迈斯纳效应引起的二极管效应与真正的奇异超导态。