[论文解读] Nonreciprocal charge transport and subharmonic structure in voltage-biased Josephson diodes

Alex Zazunov, Jérôme Rech+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2023

Physics of Superconductivity and MagnetismPhysics and Astronomy参考文献 79被引用 3

一句话总结

本文为具有有限库珀对动量的螺旋超导体中的电压偏置约瑟夫森二极管建立了散射理论，表明由于多普勒频移的能隙效应，多次Andreev反射在直流电流-电压曲线上诱导出丰富的亚谐波结构。关键结果是，在电压偏置状态下，整流效率达到理想值 η = 1，超过电流偏置情况下最大值 η₀ ≈ 0.4。

ABSTRACT

We study charge transport in voltage-biased single-channel junctions involving helical superconductors with finite Cooper pair momentum. For a Josephson junction, the equilibrium current-phase relation shows a superconducting diode effect: the critical current depends on the propagation direction. We formulate a scattering theory for voltage-biased Josephson diodes and show that multiple Andreev reflection processes cause a rich subharmonic structure in the DC current-voltage curve at low temperatures and small voltages due to Doppler shifts of the spectral gap. In the current-biased case, the diode efficiency has maximal rectification efficiency $η_0\approx 0.4$ for this model. In the voltage-biased case, however, the rectification efficiency can reach the ideal value $η=1$. We also discuss charge transport for NS junctions between a normal metal and a helical superconductor and comment on related models with spin-orbit interactions and magnetic Zeeman fields.

研究动机与目标

• 为具有螺旋超导体的电压偏置约瑟夫森二极管中的电荷输运建立微观散射理论。
• 研究在非平衡条件下，多次Andreev反射过程如何塑造电流-电压特性。
• 确定电压偏置状态下整流效率 η 的值，并与电流偏置情况下的结果进行比较。
• 探讨有限库珀对动量和多普勒频移在产生 I-V 曲线中亚谐波特征中的作用。
• 将分析扩展至 NS 结，并与包含自旋-轨道耦合和泽曼场的模型进行比较。

提出的方法

• 为具有螺旋超导体的电压偏置约瑟夫森结构建散射理论，整合了多次Andreev反射（MAR）过程。
• 采用Nambu形式描述具有有限库珀对动量 2q 的超导电极的哈密顿量，包括能隙和多普勒频移效应。
• 从散射矩阵元推导出精确的直流电流-电压（I-V）曲线，适用于低温和亚能隙区域（e|V| < 2Δ）。
• 提出一个单通道弱连接模型，连接两个螺旋超导体，假设两侧配对能隙 Δ 和动量 2q 相同。
• 将该理论应用于正常金属与螺旋超导体之间的 NS 结，并与包含自旋-轨道耦合和泽曼场的替代模型进行比较。
• 在亚能隙区域计算整流效率 η(V)，表明在电压偏置下 η 可达到 η = 1。

实验结果

研究问题

• RQ1 多次Andreev反射如何影响具有有限库珀对动量的电压偏置约瑟夫森二极管的电流-电压特性？
• RQ2 直流 I-V 曲线中观察到的亚谐波结构的起源是什么？其与超导能隙多普勒频移有何关联？
• RQ3 在电压偏置状态下，整流效率 η 是否可能超过电流偏置状态下可实现的最大值？若能，其条件为何？
• RQ4 有限库珀对动量（2q ≠ 0）的存在如何在无外加磁场条件下导致非互易电荷输运？
• RQ5 在包含自旋-轨道耦合和泽曼场的模型中，共振量子点能级与结的透射率在最大化超导二极管效应效率 η₀ 中起什么作用？

主要发现

• 由于多次Andreev反射和能隙的多普勒频移，电压偏置约瑟夫森二极管在直流电流-电压曲线上表现出丰富的亚谐波结构。
• 在电压偏置情况下，整流效率可达到理想值 η = 1，显著超过电流偏置情况下观察到的最大值 η₀ ≈ 0.4。
• I-V 曲线中的亚谐波特征仅在低温和亚能隙区域（e|V| < 2Δ）出现，此时 MAR 主导电荷输运。
• 对于具有有限库珀对动量的约瑟夫森二极管模型，临界电流具有方向依赖性，证实了平衡态下的超导二极管效应。
• 在包含自旋-轨道耦合和泽曼场的模型中，当量子点能级接近费米能级时，可实现较大的 SDE 效率 η₀ ≈ 0.25，表明共振与高效率之间存在强关联。
• 在自旋-轨道/泽曼模型中，整流效率 η(V) 在亚能隙区域仍保持较大，表明其在高性能非互易器件中具有潜力。