[论文解读] Symmetry Constraints on Direct-Current Josephson Diodes

Da Wang, Qiang-Hua Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 13

一句话总结

本文通过识别三种关键对称性条件——电流反演（JR）、磁场反演（BR）和磁场-电流反演（BJR）——确立了直流约瑟夫森二极管效应的对称性约束，表明必须打破所有满足JR对称性的条件才能实现非互易临界电流。作者将磁场下临界电流行为分类为五类，其中三类表现出二极管效应，从而为具有自旋-轨道耦合及时间反演和宇称对称性破缺的超导异质结构中的直流约瑟夫森二极管的设计或理解提供了统一的理论框架。

ABSTRACT

It is necessary to break both time-reversal and parity symmetries to realize a Josephson, or superconducting, diode exhibiting nonreciprocal critical direct-currents (DC). In fact, these conditions are still insufficient. The dependencies of the free energy on the phase difference across the junction and the magnetic field are classified, exhibiting the current-reversion (JR), field-reversion, and field-current reversion conditions, respectively. To exhibit the DC Josephson diode effect, all symmetries satisfying the JR condition need to be broken. The relations of critical currents with respect to the magnetic field are classified into five classes, including three exhibiting the diode effect. These symmetry considerations are applied to concrete examples. Our work reveals that the DC Josephson diode effect is a natural consequence of the JR symmetry breaking, hence, providing a guiding principle to understand or design a DC Josephson diode.

研究动机与目标

• 确定实现直流约瑟夫森二极管效应所需的最小对称性破缺条件。
• 解决为何某些时间反演和宇称对称性破缺的系统仍无法表现出二极管效应的谜题。
• 将临界电流的磁场依赖性分类为五种不同的对称性保护类型。
• 基于对称性原理，为设计或理解直流约瑟夫森二极管提供统一的理论框架。

提出的方法

• 通过分析在不同对称性下自由能对超电流和磁场的偶函数或奇函数依赖关系，识别JR、BR和BJR条件。
• 将临界电流 $J_{c\pm}$ 对磁场 $\mathbf{B}$ 的函数依赖关系分类为五种类对称性保护的类型。
• 构建包含自旋-轨道耦合和磁场的模型哈密顿量，以实现并检验对称性约束。
• 应用群论识别联合对称性（如 $\mathcal{T}C_{2z}$、$\mathcal{T}M_x$、$U=U_{tw}R_x(\pi/2)C_{2x}R_x(-\pi/2)U_{tw}^\dagger$）如何实现JR对称性并抑制二极管效应。
• 使用准经典输运理论通过在空间坐标上积分并引入来自矢量势的佩尔斯相位，计算 $J_{c\pm}(\Phi_x)$。
• 将理论预测与NbSe$_2$/Nb$_3$Br$_8$/NbSe$_2$结的实验数据进行比较，以验证对称性分类。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管时间反演和宇称对称性已被破缺，哪些对称性条件仍会禁止直流约瑟夫森二极管效应？
• RQ2 临界电流 $J_{c+}$ 和 $J_{c-}$ 与磁场 $\mathbf{B}$ 之间的关系如何分类为不同的对称性保护类型？
• RQ3 为何某些时间反演 $\mathcal{T}$ 和宇称 $I$ 对称性破缺的系统仍无法表现出二极管效应，还需要哪些额外约束？
• RQ4 在无外加磁场的情况下，如何实现二极管效应，必须破缺哪些对称性？
• RQ5 自旋-轨道耦合和矢量势在弱平面内磁场下如何生成非互易临界电流？

主要发现

• 直流约瑟夫森二极管效应要求所有满足电流反演（JR）条件的对称性都被打破，因为JR对称性强制 $|J_{c+}| = |J_{c-}|$。
• 临界电流 $J_{c\pm}$ 的磁场依赖性被分类为五种类对称性保护的类型，其中三类表现出二极管效应（分类中的I型、II型和III型）。
• 在无外加磁场时，$\lambda_z$-型自旋-轨道耦合对二极管效应至关重要，因为它破缺了镜面对称性 $M_z$。
• 实验观测到的NbSe$_2$/Nb$_3$Br$_8$/NbSe$_2$结在零场下的二极管效应与II型 $J_{c\pm}(B_x)$ 依赖关系一致，表明存在BR对称性保护。
• 理论建模表明，由于BR对称性，平面内磁场 $B_x$ 会抑制二极管效应，且在磁通穿通条件下，非互易因子 $Q$ 展现出调制的弗朗西尼亚样图案。
• 模型中抑制二极管效应所需的场强远大于实验值，表明在真实系统中，轨道效应（通过矢量势 $A_z = yB_x$）主导于塞曼耦合。