[论文解读] Tunable Josephson diode effect on the surface of topological insulators

Bo Lu, Satoshi Ikegaya+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2022

Topological Materials and Phenomena参考文献 34被引用 7

一句话总结

本文提出在拓扑绝缘体表面的二维超导-正常金属-超导（SNS）结中实现可调的约瑟夫森二极管效应。通过施加面内磁场、栅压并调节结长，可电控调节二极管的品质因数Q——衡量超流方向性的指标——实现其大小和符号的双向调控，从而为可扩展的超导器件提供对非互易超流的全控能力。

ABSTRACT

The Josephson rectification effect, where the resistance is finite in one direction while zero in the other, has been recently realized experimentally. The resulting Josephson diode has many potential applications on superconducting devices, including quantum computers. Here, we theoretically show that a superconductor-normal metal-superconductor Josephson junction diode on the two-dimensional surface of a topological insulator has large tunability. The magnitude and sign of the diode quality factor strongly depend on the external magnetic field, gate voltage, and the length of the junction. Such rich properties stem from the interplay between different current-phase relations for the multiple transverse transport channels, and can be used for designing realistic superconducting diode devices.

研究动机与目标

• 为解决现有约瑟夫森二极管系统在长结和二维结中的可调性不足问题。
• 探究外部参数（如磁场、栅压和结长）如何影响拓扑绝缘体表面的约瑟夫森二极管效应。
• 证明品质因数Q可实现大小和符号的双向调节，从而实现对非互易超流的可逆控制。
• 研究多个横向输运通道及其电流-相位关系在实现二维SNS结中可调二极管行为中的作用。

提出的方法

• 在三维拓扑绝缘体的二维表面构建平面SNS约瑟夫森结，其中正常区长度L可调。
• 沿y方向施加面内Zeeman场，打破空间反演和时间反演对称性，诱导非互易约瑟夫森电流。
• 在正常区的薄势垒上施加可调栅压V_G，调节不同横向输运通道的透射率。
• 采用多通道散射方法计算总约瑟夫森电流，考虑多个横向模式的相位依赖贡献。
• 推导品质因数Q = (J_c^+ - J_c^-)/(J_c^+ + J_c^-)以量化二极管性能，并分析其对外加磁场、V_G和结长的依赖关系。
• 分析多个通道的电流-相位关系，特别是势垒存在下正常入射（Klein隧穿）与斜入射模式之间的相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过调节沿y方向的外加面内磁场，实现对拓扑绝缘体表面二维SNS结中约瑟夫森二极管效应的品质因数Q在大小和符号上的电控调节？
• RQ2 在不同磁场和栅压下，结长（短结与长结）如何影响二极管效应的可调性及符号反转？
• RQ3 具有不同电流-相位关系的多个横向输运通道在实现可调非互易超流中起到何种作用？
• RQ4 为何在长结中随着栅压增大Q的符号会发生反转，而在短结中不会，其背后的物理机制是什么？
• RQ5 能否通过磁性掺杂实现无外加磁场的二极管效应控制？与磁场诱导的Zeeman分裂相比有何异同？

主要发现

• 通过调节沿y方向的外加面内磁场，可实现对约瑟夫森二极管品质因数Q的大小和符号的电控调节。
• 在长结中（L/ξ₀ = 2），随着Zeeman场m_y增大，品质因数Q表现出多次符号反转，表明具有丰富且可调的非互易响应特性。
• 施加栅压V_G可增强Q的幅值，并在足够强的磁场下（如m_y = 1.5Δ₀）实现Q的符号变化，尤其在长结中表现显著。
• 在短结中（L/ξ₀ = 0.01），随着|V_G|增大，Q未观察到符号反转，凸显结长在实现复杂二极管行为中的关键作用。
• 长结中Q的符号反转源于多个横向通道及其相位依赖电流贡献的相互作用，尤其在存在势垒时更为显著。
• 通过栅压可实现电控可调的二极管行为，使该系统成为全集成超导整流器的有前途平台，具备可切换的电流方向性。