[论文解读] Superconducting Diode Effect and Large Magnetochiral Anisotropy in T$_d$-MoTe$_2$ Thin Film

Wan-Shun Du, Weipeng Chen+15 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2023

Magnetic and transport properties of perovskites and related materialsMaterials Science被引用 3

一句话总结

本研究在弱垂直磁场下，于非晶T$_d$-MoTe$_2$薄膜中展示了超导二极管效应和大的磁致手性各向异性。该二极管效应源于非中心对称超导性所驱动的涡旋阿基米德螺旋机制，实现了接近20%的二极管效率和高达$5.9\times10^8\,\mathrm{T^{-1}\,A^{-1}}$的磁致手性各向异性系数，非互易输运由不同于Rashba体系的非对称自旋-轨道耦合所主导。

ABSTRACT

In the absence of time-reversal invariance, metals without inversion symmetry may exhibit nonreciprocal charge transport -- a magnetochiral anisotropy that manifests as unequal electrical resistance for opposite current flow directions. If superconductivity also sets in, the charge transmission may become dissipationless in one direction while remaining dissipative in the opposite, thereby realizing a superconducting diode. Through both direct-current and alternating-current measurements, we study the nonreciprocal effects in thin films of the noncentrosymmetric superconductor T$_d$-MoTe extsubscript{2} with disorders. We observe nonreciprocal superconducting critical currents with a diode efficiency close to 20\%~, and a large magnetochiral anisotropy coefficient up to $\SI{5.9e8}{\per esla\per\ampere}$, under weak out-of-plane magnetic field in the millitesla range. The great enhancement of rectification efficiency under out-of-plane magnetic field is likely abscribed to the vortex ratchet effect, which naturally appears in the noncentrosymmetric superconductor with disorders. Intriguingly, unlike the finding in Rashba systems, the strongest in-plane nonreciprocal effect does not occur when the field is perpendicular to the current flow direction. We develop a phenomenological theory to demonstrate that this peculiar behavior can be attributed to the asymmetric structure of spin-orbit coupling in T$_d$-MoTe extsubscript{2}. Our study highlights how the crystallographic symmetry critically impacts the nonreciprocal transport, and would further advance the research for designing the superconducting diode with the best performance.

研究动机与目标

• 研究弱垂直磁场下非晶T$_d$-MoTe$_2$薄膜中的非互易输运行为。
• 理解非中心对称超导体中增强的超导二极管效应和大磁致手性各向异性的起源。
• 确定晶体学对称性与自旋-轨道耦合各向异性如何影响超导体系中的定向电荷输运。
• 建立唯象理论以解释平面内磁场下非互易效应的角依赖性。

提出的方法

• 通过化学气相输运生长与机械剥离法制备高质量T$_d$-MoTe$_2$薄膜。
• 在约10 mK的稀释制冷机中进行低温四端子输运测量。
• 采用直流与交流电流激励并结合锁相检测，测量微分电阻与谐波信号。
• 使用矢量超导磁体施加最高达10 mT的垂直与平面内磁场。
• 测量二次谐波电压（$V_{2\omega}$）以提取二极管电压信号并量化非互易性。
• 基于非对称自旋-轨道耦合建立唯象模型，解释磁致手性各向异性的角依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在弱垂直磁场下，非晶T$_d$-MoTe$_2$薄膜中产生超导二极管效应的原因是什么？
• RQ2 为何最大平面内磁致手性各向异性并不出现在磁场方向垂直于电流流动时（即$\varphi = 90^\circ$），这与Rashba体系的预期相反？
• RQ3 T$_d$-MoTe$_2$中自旋-轨道耦合的非对称结构如何影响非互易输运的角依赖性？
• RQ4 涡旋阿基米德螺旋效应在增强非晶超导薄膜中二极管效率方面起到何种作用？
• RQ5 基于自旋-轨道耦合参数的唯象模型能否准确再现观测到的非互易信号角变异性？

主要发现

• 在10 mT的垂直磁场下，观察到约20%的超导二极管效率。
• 在弱垂直磁场下，磁致手性各向异性系数达到$5.9\times10^8\,\mathrm{T^{-1}\,A^{-1}}$的较大数值。
• 在平面内磁场下，最强的非互易响应并未出现在$\varphi = 90^\circ$（即磁场垂直于电流）时，与Rashba体系的预期相悖。
• 非互易信号的角依赖性呈现两个非对称瓣形，该行为可通过包含非对称自旋-轨道耦合参数的唯象模型成功再现。
• 识别出涡旋阿基米德螺旋效应是非晶T$_d$-MoTe$_2$薄膜中增强整流效率的关键机制。
• 理论建模证实，有限的$\alpha_3$项以及自旋-轨道耦合中$\alpha_1$与$\alpha_2$系数不相等，是产生观测到的非对称角响应的必要条件。