[论文解读] A Josephson junction supercurrent diode

Christian Baumgärtner, Lorenz Fuchs+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 44被引用 6

一句话总结

本文在InAs量子阱上制备的全超导约瑟夫森结中实现了超导电流二极管效应，利用强自旋-轨道耦合和面内磁场同时打破空间反演对称性与时间反演对称性。关键结果是实验观测到非互易超导电流流动，并通过约瑟夫森电感测量和半定量理论模型确认了超导电流磁致各向异性系数 $\gamma_L$ 的量化结果。

ABSTRACT

Transport is called nonreciprocal when not only the sign, but also the absolute value of the current, depends on the polarity of the applied voltage. It requires simultaneously broken inversion and time-reversal symmetries, e.g., by the interplay of spin-orbit coupling and magnetic field. So far, observation of nonreciprocity was always tied to resistivity, and dissipationless nonreciprocal circuit elements were elusive. Here, we engineer fully superconducting nonreciprocal devices based on highly-transparent Josephson junctions fabricated on InAs quantum wells. We demonstrate supercurrent rectification far below the transition temperature. By measuring Josephson inductance, we can link nonreciprocal supercurrent to the asymmetry of the current-phase relation, and directly derive the supercurrent magnetochiral anisotropy coefficient for the first time. A semi-quantitative model well explains the main features of our experimental data. Nonreciprocal Josephson junctions have the potential to become for superconducting circuits what $pn$-junctions are for traditional electronics, opening the way to novel nondissipative circuit elements.

研究动机与目标

• 在全超导平台中实现无耗散、非互易的超导电流器件。
• 在远低于超导转变温度的条件下实现超导电流整流效应。
• 通过实验测量并量化超导电流磁致各向异性系数 $\gamma_L$。
• 通过约瑟夫森电感建立非互易超导电流与电流-相位关系不对称性之间的关联。
• 构建一个半定量理论模型，以重现观测到的非互易行为。

提出的方法

• 采用2250个岛阵列结构，在InAs量子阱上制备高透射率约瑟夫森结。
• 通过Rashba自旋-轨道耦合与面内磁场的协同作用，破坏时间反演对称性和空间反演对称性。
• 测量约瑟夫森电感 $L(I)$ 随电流和磁场方向的变化，以探测电流-相位关系中的不对称性。
• 将 $L(I)$ 展开至二阶，通过关系式 $-2L_0' / (L_0 B_{\mathrm{ip}}) = \gamma_L \sin\theta$ 提取超导电流磁致各向异性系数 $\gamma_L$。
• 利用Kwant数值模拟建模结结构，包含有限尺寸效应及沿 $\hat{z}$ 方向的约束势。
• 将实验测得的 $L(I)$ 曲线与理论预测进行比较，以验证非互易性的起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能在无耗散的全超导器件中实现非互易超导电流流动？
• RQ2 在超导态下，超导电流磁致各向异性系数 $\gamma_L$ 的大小及其物理起源是什么？
• RQ3 电流-相位关系中的不对称性在约瑟夫森电感测量中如何体现？
• RQ4 尽管能量尺度不同，为何超导态中的磁致各向异性与接近 $T_c$ 时电阻输运中的磁致各向异性在量级上相近？
• RQ5 三维约束势在稳定观测到的非互易行为中起到何种作用？

主要发现

• 在远低于 $T_c$ 的温度下实验观测到超导电流二极管效应，证实了无耗散的非互易超导电流流动。
• 首次通过约瑟夫森电感测量直接提取出超导电流磁致各向异性系数 $\gamma_L$。
• 当面内磁场沿 $\hat{y}$ 方向时，约瑟夫森电感 $L(I)$ 在零电流附近表现出明显的不对称性，证实了非互易超导电流的存在。
• 理论建模中引入有限约束势 $V_{\mathrm{conf}}$ 对重现实验 $L(I)$ 趋势至关重要，包括 $L_0$ 随 $\theta$ 增大而减小的现象。
• 测得的 $\gamma_L$ 量级与接近 $T_c$ 时的电阻磁致各向异性 $\gamma_S$ 相当，表明其背后存在超越自旋-轨道耦合本身的复杂相互作用。
• 观测到的非互易性与Rashba自旋-轨道耦合与面内磁场协同作用诱导的电流-相位关系 $\varphi_0$-偏移直接相关。