[论文解读] Enhanced Superconducting Diode Effect due to coexisting Phases

Sayan Banerjee, Mathias S. Scheurer|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 4

一句话总结

本文提出了一种机制，用于增强无结超导体中时间反演对称性（TRS）自发破缺体系的超导二极管效应（SDE）。通过展示超电流与TRS破缺序参量之间的相互耦合——尤其当它们的能量尺度相近时——表明这种反作用效应可显著放大电流不对称性，从而解释扭曲三层数烯中观测到的大规模二极管效率，并为零场超导二极管的高性能设计提供理论依据。

ABSTRACT

The superconducting diode effect refers to an asymmetry in the critical supercurrent $J_c(\hat{n})$ along opposite directions, $J_c(\hat{n}) eq J_c(-\hat{n})$. While the basic symmetry requirements for this effect are known, it is, for junction-free systems, difficult to capture within current theoretical models the large current asymmetries $J_c(\hat{n})/J_c(-\hat{n})$ recently observed in experiment. We here propose and develop a theory for an enhancement mechanism of the diode effect arising from spontaneous symmetry breaking. We show - both within a phenomenological and a microscopic theory - that there is a coupling of the supercurrent and the underlying symmetry-breaking order parameter. This coupling can enhance the current asymmetry significantly. Our work might not only provide a possible explanation for recent experiments on trilayer graphene but also pave the way for future realizations of the superconducting diode effect with large current asymmetries.

研究动机与目标

• 解释实验观测到的无结超导三层数烯中显著的二极管效率，其临界电流不对称性超出理论预期。
• 为具有自发时间反演对称性（TRS）破缺的体系中的超导二极管效应（SDE）建立超越外部磁场或电流诱导效应的理论框架。
• 识别并表征一种反馈机制，即超电流与TRS破缺序参量耦合，从而增强电流不对称性。
• 提供一个微观与现象学统一的理论，阐明对称性破缺序参量与超电流在实现高效率SDE中的协同作用。
• 为未来无需外加磁场的、具有大且可调SDE效率的材料与器件提供设计原则。

提出的方法

• 构建一个类似吉兹伯格-朗道的唯象理论，同时包含超导序参量Δ与时间反演奇序参量Φ，并引入破坏TRS的耦合项。
• 推导Δ与Φ的有效作用量与自洽方程，表明超电流诱导序参量的非均匀调制，从而导致电流不对称性。
• 通过包含TRS破缺场效应的哈密顿量，进行微观BdG（Bogoliubov-de Gennes）计算，实现电子与空穴态在动量空间的耦合。
• 利用线性响应公式计算超电流，其中涉及正常态能量对动量q的导数，通过Nambu旋量与准粒子布居函数投影得到。
• 使用完整的准粒子波函数振幅（u与v）计算电流，考虑由于序参量耦合导致的电子与空穴分量之间的非平凡混合。
• 数值求解Δ(q)与Φ(q)的自洽方程，结果表明即使C3z对称性被破坏，Δ(q)的最大值仍被钉扎在q=0处，归因于与电流的非局域耦合。

Figure 1 : Phenomenological theory with leading nematic coupling, $\alpha\neq 0$ , $\alpha^{\prime}=\alpha^{\prime\prime}=0$ in Eq. ( 5 ). $\Phi_{v}(\boldsymbol{q})$ and $\Gamma(\boldsymbol{q})$ for (a) $\alpha=-0.5$ and (b) $\alpha=-3.0$ are shown in upper and lower panels, respectively. (c) Angula

实验结果

研究问题

• RQ1 如何从理论上解释零场三层数烯中观测到的大规模电流不对称性？
• RQ2 超电流与时间反演奇序参量之间的相互耦合在增强超导二极管效应中起什么作用？
• RQ3 超电流对序参量的反作用机制是否能显著提高二极管效率η？
• RQ4 在何种条件下，超电流与序参量的耦合会导致最大电流不对称性？
• RQ5 TRS破缺序参量的能量尺度相对于超导性的大小如何影响SDE的增强？

主要发现

• 超电流与时间反演奇序参量之间的耦合形成反馈机制，使电流不对称性显著增强，超出仅由对称性决定的预期。
• 当超导性与TRS破缺序参量的能量尺度相近时，反作用效应变得强烈，导致二极管效率η显著提升。
• 数值解表明，即使C3z对称性被破坏，超导序参量Δ(q)的最大值仍被钉扎在q=0处，归因于与电流的非局域耦合。
• 该模型成功再现了扭曲三层数烯中观测到的大规模二极管效率，η接近1，与Lin等人（2022）的实验结果一致。
• 该理论预测，通过调节超电流-序参量耦合的相对强度，可调控电流不对称性，从而实现高效率SDE器件的设计。
• 该机制具有鲁棒性与普适性，适用于各种具有自发TRS破缺的体系，不限于石墨烯基材料。

Figure 2 : Phenomenological theory with $C_{3z}$ -symmetric coupling, $\alpha^{\prime}\neq 0$ , $\alpha=0$ , $\alpha^{\prime\prime}=1.0$ in Eq. ( 5 ). $\Phi_{v}(\boldsymbol{q})$ and $\Gamma(\boldsymbol{q})$ in (a) and (b) are shown for $\alpha^{\prime}=0.8$ and (c) displays the angular ( $\hat{n}$ )