[论文解读] A Phenomenological Theory of Superconductor Diodes in Presence of Magnetochiral Anisotropy

James Jun He, Yukio Tanaka+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 4

一句话总结

本文基于吉纳斯堡-朗道理论，发展了一套现象学理论，用以解释在磁场作用下表现出非互易临界电流响应的超导二极管，特别是在具有磁致旋光各向异性的非中心对称体系中。该理论推导出临界电流不对称性的解析关系，并为各种参数区域（包括接近临界温度的长约瑟夫森结以及通过数值分析扩展至更广的磁场条件）中的超导二极管提供了统一的设计框架。

ABSTRACT

Nonreciprocal responses in noncentrosymmetric systems contain a broad range of phenomena. Especially, non-dissipative and coherent nonreciprocal transport in solids is an important fundamental issue. The recent discovery of superconductor diodes under external magnetic fields, where the critical current changes as the direction is reversed, significantly boosted this research area. However, a theoretical understanding of such phenomena is lacking. Here, we provide theoretical descriptions of superconductor and Josephson junction diodes with the Ginzburg-Landau method. The theory is applied to a few typical systems, where the analytical relations between the nonreciprocal critical currents and the system parameters are obtained. Long Josephson junctions near the superconducting transition temperature under weak fields are studied analytically, while broader parameter regimes are investigated numerically. These results offer a unified description and design principle of superconductor diodes.

研究动机与目标

• 解决在磁场作用下超导二极管中非互易临界电流响应缺乏理论理解的问题。
• 为具有磁致旋光各向异性的系统中的超导结和约瑟夫森结二极管提供统一的理论框架。
• 推导非互易临界电流与磁质强度、材料对称性等系统参数之间的解析关系。
• 通过数值方法将分析范围扩展至弱场和接近临界温度的条件之外，以覆盖更广泛的参数区域。

提出的方法

• 将吉纳斯堡-朗道形式化应用于具有磁致旋光各向异性的非中心对称体系中的超导序参量建模。
• 推导接近超导转变温度的长约瑟夫森结中非互易临界电流的解析表达式。
• 在吉纳斯堡-朗道自由能中引入磁致旋光各向异性能项，以捕捉磁场方向依赖的超导响应。
• 利用数值模拟研究在超越解析极限的更广泛参数区域中非互易临界电流行为。
• 系统分析磁场方向、对称性破缺与临界电流不对称性之间的相互作用。
• 建立适用于多种超导二极管系统的一体化现象学描述。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁致旋光各向异性如何在外部磁场作用下诱导超导体中的非互易临界电流响应？
• RQ2 非互易临界电流与磁质强度、对称性破缺等系统参数之间存在何种解析关系？
• RQ3 在接近超导转变温度时，长约瑟夫森结中的临界电流不对称性如何表现？
• RQ4 吉纳斯堡-朗道框架在多大程度上能够描述非中心对称超导体中的非互易输运？
• RQ5 从超导二极管的理论描述中，可在不同磁场和材料条件下提炼出哪些设计原则？

主要发现

• 推导出接近临界温度的长约瑟夫森结中非互易临界电流的解析表达式，明确将其与磁致旋光各向异性和磁场方向直接关联。
• 该理论预测，在非中心对称体系中，临界电流不对称性明显依赖于外加磁场的符号和大小。
• 数值结果证实，非互易行为在超越解析区域的广泛磁场范围和系统参数下具有鲁棒性。
• 吉纳斯堡-朗道框架成功捕捉了非中心对称超导体中非互易输运的本质物理机制，而无需依赖微观细节。
• 建立了一体化的现象学描述，适用于具有磁致旋光各向异性的本征及人工设计的超导二极管。
• 研究结果为通过对称性调控和磁场调制，工程化设计具有定制化非互易响应的超导二极管提供了面向应用的框架。