[论文解读] Superconducting diode from flux biased Josephson junction arrays

Rafael Haenel, Oguzhan Can|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种利用标准正弦形约瑟夫森结在磁通偏置电路中实现的超导二极管效应，其中串联连接的结通过产生有效高次谐波来打破反演对称性。该二极管在优化配置下实现了高达67%的效率（η = 2/3），且无需使用特殊材料或非正弦形结，从而可在工业级超导电路中实现可扩展集成。

ABSTRACT

We propose a realization of the superconducting diode effect in flux biased superconducting circuits of Josephson junctions. So far the observation of the superconducting diode effect has been limited to rather exotic material platforms. In theoretical proposals, it relied on a non-sinusoidal form of the current phase relation of Josephson junctions. Here, we show how the diode effect can be engineered in superconducting circuits without any such requirements. The only necessary ingredients are standard sinusoidal Josephson junctions and flux bias lines that are readily available in scalable industrial silicon-chip based superconducting design processes.

研究动机与目标

• 在可扩展、工业兼容的超导电路平台中实现超导二极管效应。
• 消除对特殊材料平台或约瑟夫森结非正弦形电流-相位关系的需求。
• 通过电路几何结构和磁通偏置实现反演对称性破缺，而非依赖材料复杂性。
• 在具有多条臂的广义SNAIL（超导非线性不对称电感元件）架构中优化二极管效率。
• 评估寄生几何电感对二极管性能和效率的影响。

提出的方法

• 设计一个具有N条臂的超导电路，每条臂包含一系列具有正弦形电流-相位关系的相同约瑟夫森结。
• 使用穿过相邻臂之间环路的磁通偏置线，以在约瑟夫森结中引入相位差。
• 利用环路中的相位量子化条件，通过串联连接的结生成有效高次谐波（例如，sin(2φ)，sin(3φ)）。
• 将总电流建模为约瑟夫森电流之和：I(φ) = I_c^(1)sin(φ₁) + I_c^(2)sin(2φ₁ - φ_ext)，其中 φ_ext = 2πΦ_ext/Φ₀。
• 通过优化磁通偏置 φ_k,ext 和结参数，以最大化二极管效率 η = (I_c⁺ - I_c⁻)/(I_c⁺ + I_c⁻)。
• 进行包含几何电感（L_k）的自洽计算，以评估与理想行为的偏差及效率损失。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在仅使用标准正弦形约瑟夫森结和磁通偏置的电路中实现超导二极管效应？
• RQ2 如何在不使用非正弦形结的情况下生成电流-相位关系中的有效高次谐波？
• RQ3 在多臂SNAIL结构中，如何确定最优磁通偏置和结参数以最大化二极管效率？
• RQ4 几何电感如何影响实际电路中二极管的效率和电流-相位关系？
• RQ5 通过反转所有外部磁通的符号，是否可以实现二极管极性的反转？

主要发现

• 通过利用磁通偏置和串联连接诱导的相位差，该研究在仅使用标准正弦形约瑟夫森结的电路中实现了超导二极管效应。
• 对于N=2，可实现的最大二极管效率为η = 1/3 ≈ 33.3%，当N=5时，在最优参数下可提升至η = 2/3 ≈ 66.7%。
• 随着几何电感的增加，二极管效率下降，且在N较大时因电流-相位关系畸变而出现更明显的衰减。
• 通过反转所有外部磁通偏置的符号，可实现二极管极性的反转，从而实现可重构的二极管行为。
• 所提出的结构与工业级Nb-Al工艺兼容，且适用于硅片上的可扩展制造，具备实际集成潜力。
• 对于N=5，最优配置需要137个约瑟夫森结，且臂间磁通偏置设定为Φ_{k,k+1}/Φ₀ = 7.5, 5/2, 5/4, 3/4, 1/2，以实现η = 2/3。