[论文解读] Universal Josephson diode effect

Margarita Davydova, Saranesh Prembabu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 4

一句话总结

本文提出了一种普遍机制，用于解释在具有有限库珀对动量的短约瑟夫森结中出现的约瑟夫森二极管效应，该效应源于同时破缺空间反演对称性和时间反演对称性。该效应源自 Andreev 界态能级的多普勒频移以及与相位无关的连续谱非对称电流，可实现高达 40% 的二极管效率，且临界电流不对称性 $I_{c+}/I_{c-} \approx 230\%$，即使在无序系统中也具有鲁棒性，且与结的透明度或材料细节无关。

ABSTRACT

We propose a universal mechanism for the Josephson diode effect in short Josephson junctions. The proposed mechanism is due to finite Cooper pair momentum and is a manifestation of simultaneous breaking of inversion and time-reversal symmetries. The diode efficiency is up to 40%, which corresponds to an asymmetry between the critical currents in opposite directions $I_{c+}/I_{c-} \approx$ 230%. We show that this arises from both the Doppler shift of the Andreev bound state energies and the phase-independent asymmetric current from the continuum. Finally, we propose a simple scheme for achieving finite-momentum pairing, which does not rely on spin-orbit coupling and thus greatly expands existing platforms for the observation of supercurrent diode effects.

研究动机与目标

• 建立短结中约瑟夫森二极管效应的普遍微观机制。
• 阐明具有有限动量库珀对配对的系统中非互易超导电流的起源。
• 证明该效应源于准粒子能级的多普勒频移以及连续谱贡献的非对称性。
• 提出一种简单、与材料无关的方案，通过小平面内磁场下的迈斯纳效应诱导有限动量配对。
• 展示该二极管效应在无序和有限结透明度下的鲁棒性。

提出的方法

• 使用广义的 BCS 类形式化方法，推导出有限动量超导体之间短结的约瑟夫森电流的解析表达式。
• 将超导序参量建模为 $\Delta_{1,2}(x) = \Delta e^{\pm 2iqx + i\varphi}$，以捕捉库珀对动量引起的空间调制。
• 使用紧束缚格点模型模拟在不同无序强度和系统尺寸下的约瑟夫森电流与二极管效率。
• 对结的透明度 $T$ 进行微扰展开，以分离出产生非对称电流-相位关系的次主导项。
• 分别分析 Andreev 界态与连续谱贡献的作用，以量化其在二极管效率中的相对贡献。
• 利用短结在平面内磁场 $B_y < B_{c1}$ 下的迈斯纳效应，实现无需自旋-轨道耦合的有限动量配对。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有有限动量库珀对配对的短结中，约瑟夫森二极管效应的微观起源是什么？
• RQ2 准粒子能级的多普勒频移与连续谱贡献如何共同决定二极管效率？
• RQ3 是否可以普遍地在所有超导体中诱导约瑟夫森二极管效应，而无需依赖自旋-轨道耦合或复杂异质结构？
• RQ4 该二极管效应对无序和有限结透明度的鲁棒性如何？
• RQ5 系统尺寸与局域化长度在决定该效应的大小和普遍性方面起什么作用？

主要发现

• 约瑟夫森二极管效应普遍源于有限库珀对动量引起的 Andreev 界态能级多普勒频移，导致电流-相位关系具有方向依赖性。
• 二极管效率最高可达 40%，对应临界电流不对称性 $I_{c+}/I_{c-} \approx 230\%$。
• 来自连续谱的与相位无关的非对称电流在决定二极管效应大小方面起着关键作用。
• 即使在极低结透明度 $T \ll 1$ 条件下，该效应依然存在，表明其不依赖于多重散射通道或高透明度。
• 该效应在化学势无序下依然稳健，当无序范围为 $[-10\Delta, 10\Delta]$ 时效率仅降低两倍；当 $\xi_{\text{loc}} \ll L$ 时，效率与系统长度无关。
• 该机制具有普遍性：在弹道极限下有效，不依赖于结参数，且可通过小平面内磁场下的迈斯纳效应适用于所有超导体。