[论文解读] Microwave-Tunable Diode Effect in Asymmetric SQUIDs with Topological Josephson Junctions

Joseph J. Cuozzo, W. Pan+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2023

Topological Materials and Phenomena参考文献 68被引用 6

一句话总结

本文提出了一种在包含具有4π周期性电流-相位关系的拓扑约瑟夫森结与传统2π周期性结的非对称SQUID中实现的微波可调约瑟夫森二极管效应。通过调节正常电阻不对称性并施加交流偏置，可逆地控制二极管极性，从而在拓扑SQUID中实现动态、微波驱动的整流，其效率优于非拓扑SQUID。

ABSTRACT

In superconducting systems in which inversion and time-reversal symmetry are simultaneously broken the critical current for positive and negative current bias can be different. For superconducting systems formed by Josephson junctions (JJs) this effect is termed Josephson diode effect. In this work, we study the Josephson diode effect for a superconducting quantum interference device (SQUID) formed by a topological JJ with a 4$π$-periodic current-phase relationship and a topologically trivial JJ. We show how the fractional Josephson effect manifests in the Josephson diode effect with the application of a magnetic field and how tuning properties of the trivial SQUID arm can lead to diode polarity switching. We then investigate the AC response and show that the polarity of the diode effect can be tuned by varying the AC power and discuss differences between the AC diode effect of asymmetric SQUIDs with no topological JJ and SQUIDs in which one JJ is topological.

研究动机与目标

• 研究由于拓扑超导性导致其中一个约瑟夫森结呈现4π周期性电流-相位关系的非对称SQUID中的约瑟夫森二极管效应（JDE）
• 探讨磁通量、电感以及SQUID两臂之间正常电阻不对称性对二极管极性和效率的影响
• 展示通过交流偏置实现对二极管效应的微波控制，从而实现整流方向的动态调节
• 比较拓扑2π-4π SQUID与平凡2π-2π SQUID在二极管效率和整流窗口方面的性能表现

提出的方法

• 基于阻尼并联结（RSJ）形式化方法，发展了包含磁通量子化和非平凡电流-相位关系的解析模型
• 利用雅可比-安杰展开式和贝塞尔函数，推导出在电压偏置下AC约瑟夫森效应的SQUID有效超电流表达式
• 在电流-相位关系中同时引入余弦和正弦谐波，以捕捉由不对称性和4π周期性引起的非对称响应
• 使用参数 $ W_{4\tilde{\pi}} $, $ R_{21} $, $ \beta_L $, 和 $ \Phi $ 建模临界电流差 $ \Delta I_c $ 与平均临界电流 $ I_{\text{avg}} $
• 通过平凡SQUID与2π-4π SQUID的交流响应数值模拟验证了分析结果
• 分析了高阶谐波（如 $ \sin(2\phi_A) $）在零磁通条件下产生非互易响应的作用

实验结果

研究问题

• RQ1 在非对称SQUID中引入4π周期性约瑟夫森结如何影响约瑟夫森二极管效应？
• RQ2 SQUID两臂的正常电阻不对称性是否可实现二极管极性的反转？
• RQ3 SQUID的交流响应在多大程度上可用于通过微波功率调节二极管效应？
• RQ4 在二极管效率和整流窗口方面，拓扑2π-4π SQUID与平凡2π-2π SQUID的性能表现有何差异？
• RQ5 电流-相位关系中的高阶谐波在零磁通条件下如何实现非互易超电流流动？

主要发现

• 2π-4π SQUID表现出稳健的约瑟夫森二极管效应，其临界电流差 $ \Delta I_c $ 可通过调节两臂间正常电阻不对称性实现调控
• 当电阻不对称性改变时，二极管极性发生反转，从而实现对超电流整流方向的主动控制
• 微波交流偏置可实现对二极管效应的动态调节：增加交流功率可提升二极管效率，并实现极性切换
• 与平凡SQUID相比，拓扑SQUID展现出更大的整流电流窗口 $ \Delta I_c $，表明其在实际应用中具有更高的品质，尽管二极管效率相近
• 对交流响应的数值模拟结果与分析预测高度一致，验证了该模型在不同交流功率和磁通条件下的准确性
• 在零磁通条件下，由于不对称性，高阶谐波（如 $ \sin(2\phi_A) $）对有效超电流有贡献，从而在无外部磁通时仍能实现非互易行为