[论文解读] Surface supercurrent diode effect

Noah F. Q. Yuan|arXiv (Cornell University)|May 7, 2023

Iron-based superconductors researchMaterials Science被引用 3

一句话总结

本文提出了一种在三维超导体中具有表面态且处于面内磁场下的新型表面超流二极管效应（SSDE），其中表面态的迈斯纳效应破坏了时间反演和空间反演对称性，从而实现非互易临界超流。与依赖于二维体系中自旋-轨道耦合的传统超流二极管效应不同，SSDE在宽广磁场范围内实现了完美的二极管行为（η = 1），该结论通过吉兹堡-朗道理论和铁基超导体表面的数值计算得到验证。

ABSTRACT

We propose a new type of supercurrent diode effect on the surface of a superconductor with surface states under in-plane magnetic fields. Surface supercurrent diode effect can lead to a perfect supercurrent diode in a considerably wide range of fields. For comparison, the conventional supercurrent diode effect due to the spin-orbit coupling in a two-dimensional superconductor cannot be perfect in usual cases. Candidates such as the (001) surface of iron-based superconductors BaFe$_{2-x}$Co$_x$As$_2$ are discussed. Calculations are performed under the Ginzburg-Landau formalism.

研究动机与目标

• 提出并理论描述一种超越传统二维体系中自旋-轨道耦合的超流二极管效应（SDE）新机制。
• 探讨三维超导体中表面态在面内磁场下作为非互易超流源的作用。
• 证明表面态的迈斯纳效应可在宽广磁场范围内诱导出完美超流二极管（η = 1）。
• 基于吉兹堡-朗道形式化建立理论框架，统一并拓展现有SDE理论，包括库珀对动量的高阶展开。

提出的方法

• 构建三维超导体表面态的吉兹堡-朗道自由能，包含依赖于面内磁场和库珀对动量 q 的项。
• 将自由能展开至 q 的四次方项，以捕捉非互易临界超流，通过在二次项系数 σ 中引入 q 线性项来破坏互易性。
• 通过自由能对规范势 A 的泛函导数推导超流密度，得到 J ∝ ∂σ/∂q。
• 利用平均场理论和BdG哈密顿量微观计算 σ(q)，结合费米面积分和包含digamma函数的特殊函数。
• 使用非微扰表达式（涉及函数 g(x)，其中 x = b√|σ₀|/a³）评估超流二极管系数 η = (J⁺_c − J⁻_c)/(J⁺_c + J⁻_c)。
• 执行特殊函数（如 φ(x)）的数值积分与展开，以提取GL系数并分析 η 随磁场和温度的变化。

Figure 1: Supercurrent diode coefficient $\eta$ under in-plane magnetic field $H$ and temperature $T$ in the surface supercurrent diode effect, when field and current are perpendicular. The solid blue line denotes the in-plane critical field $H_{c3\parallel}$ for surface superconductivity, and the d

实验结果

研究问题

• RQ1 在三维超导体中，表面态的迈斯纳效应是否可在不依赖自旋-轨道耦合的情况下导致非互易超流二极管效应？
• RQ2 在面内磁场下，表面超流二极管效应中超流二极管系数 η 的定量行为如何？
• RQ3 表面超流二极管效应与具有自旋-轨道耦合的二维体系中的传统超流二极管效应相比有何异同？
• RQ4 在何种条件下 η 可达到 1，即实现完美二极管行为？
• RQ5 表面超流二极管效应中非互易性的微观起源是什么？

主要发现

• 表面超流二极管效应（SSDE）在宽广面内磁场范围内实现了完美的二极管系数 η = 1，表明在某一方向上临界超流为零电阻，而在反向方向上具有有限临界超流，呈现非互易性。
• SSDE中的临界超流非互易性源于表面态迈斯纳效应与面内磁场的相互作用，同时破坏时间反演和空间反演对称性。
• 超流二极管系数 η 被推导为非微扰函数 g(x)，其主导行为为 η ≈ √(|σ₀|/(3a³)) × b，其中 b 为 σ(q) 中的 q 线性系数。
• 数值结果表明，当磁场超过某一阈值 H_M 时，η 达到 1，如图1中虚线橙色线所示，此时系统进入完美二极管工作区。
• 在铁基超导体 BaFe₂₋ₓCoₓAs₂ 的 (001) 表面等材料中，SSDE具有鲁棒性，其表面态与理论模型兼容。
• 该理论在吉兹堡-朗道形式化下统一了传统SDE（二维自旋-轨道耦合体系）与SSDE（三维表面态体系），两者均表现出非互易临界超流，其 η 值范围为 [−1, 1]。

Figure 2: Supercurrent diode coefficient $\eta$ under in-plane magnetic field $B$ and temperature $T$ in the conventional supercurrent diode effect of a Rashba superconductor, when the supercurrent and the magnetic field are perpendicular.