[论文解读] Magnetic-field-free nonreciprocal transport in graphene multi-terminal Josephson junctions

Fan Zhang, Asmaul Smitha Rashid+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2023

Quantum and electron transport phenomena参考文献 47被引用 4

一句话总结

该论文通过在非对称石墨烯沟道中破坏空间镜像对称性，实现了无需外加磁场的、可重构的非互易输运，其在多端口石墨烯约瑟夫森结中表现显著。非互易性源于端口间临界电流不等（I_c,jk ≠ I_c,kj），这是由于约瑟夫森结的非对称性所致，理论电路网络模型显示最高可达30%的效率，实验验证在三端口器件中实现了约24%的效率。

ABSTRACT

Nonreciprocal superconducting devices have attracted growing interest in recent years as they potentially enable directional charge transport for applications in superconducting quantum circuits. Specifically, the superconducting diode effect has been explored in two-terminal devices that exhibit superconducting transport in one current direction while showing dissipative transport in the opposite direction. Here, we exploit multi-terminal Josephson junctions (MTJJs) to engineer magnetic-field-free nonreciprocity in multi-port networks. We show that when treated as a two-port electrical network, a three-terminal Josephson junction (JJ) with an asymmetric graphene region exhibits reconfigurable two-port nonreciprocity. We observe nonreciprocal (reciprocal) transport between superconducting terminals with broken (preserved) spatial mirror symmetry. We explain our observations by considering a circuit-network of JJs with different critical currents.

研究动机与目标

• 在多端口约瑟夫森结中实现无需外加磁场或电流偏置的非互易超导输运。
• 证明在非对称石墨烯沟道中破坏空间镜像对称性可诱导双端口非互易性。
• 建立具有不同临界电流的约瑟夫森结电路网络模型，以解释并预测非互易行为。
• 量化非互易输运的效率，并展示其与结非对称性的依赖关系。
• 在三端口和四端口石墨烯基约瑟夫森结中对理论模型进行实验验证。

提出的方法

• 通过在hBN/石墨烯/hBN范德华异质结构中采用边缘接触，制备多端口约瑟夫森结。
• 设计非对称的石墨烯沟道几何结构，以破坏特定端口之间的空间镜像对称性。
• 使用零电容的电阻性并联结（RSJ）模型模拟电压-电流特性及临界电流。
• 通过临界电流不等定义非互易性：I_c,jk ≠ I_c,kj，其中I_c,kj为在端口j注入电流时端口k的最大电流。
• 将系统建模为具有不同临界电流（I_c1, I_c2, I_c3）的约瑟夫森结网络，采用电流-相位关系I = I_c sin(ϕ) + G dϕ/dt。
• 通过调节非对称参数x = I_c3 / I_c1，研究其对非互易效率η的影响，数值模拟显示效率在~30%处趋于平台。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不施加外加磁场或电流偏置的情况下，在多端口约瑟夫森结中实现非互易输运？
• RQ2 石墨烯沟道中的空间镜像对称性破缺如何影响双端口非互易性？
• RQ3 此类系统中非互易输运的理论最大效率是多少？其与结非对称性的关系如何？
• RQ4 具有不同临界电流的约瑟夫森结电路网络模型能否定量解释观测到的非互易性？
• RQ5 单端口非互易性定义（I_c^+ ≠ I_c^-）是否适用于多端口超导网络？

主要发现

• 在无外加磁场或偏置电流的三端口和四端口石墨烯约瑟夫森结中，实验观测到了非互易输运。
• 仅在破坏空间镜像对称性的端口对之间出现非互易性，而对称端口对之间仍保持互易输运。
• 三端口器件中的非互易效率达到约24%，与RSJ模型预测的理论最大值30%非常接近。
• 随着非对称性增加（x = I_c3 / I_c1），效率提高并在高x值时饱和于~30%，表明存在根本性上限。
• 具有更高沟道对称性的四端口器件仅表现出约7%的效率，证实了镜像对称性破缺的关键作用。
• 研究证明，单端口非互易性定义在多端口网络中不成立，因为互易结在该定义下可能表现为非互易。