Papers
Topics
Authors
Recent
2000 character limit reached

Gate-tunable Josephson diode effect in Rashba spin-orbit coupled quantum dot junctions (2402.00817v2)

Published 1 Feb 2024 in cond-mat.supr-con and cond-mat.mes-hall

Abstract: We theoretically explore Josephson diode effect (JDE) in superconductor/quantum dot (QD)/superconductor junction in the presence of a magnetic field and Rashba spin-orbit interaction (RSOI). We calculate the Josephson current in our QD junction using Keldysh non-equilibrium Green's function technique. We show that JDE is induced in our chiral QD junction with large rectification coefficient (RC) in the presence of RSOI and external magnetic field simultaneously. Interestingly, the sign and magnitude of the RC are highly controllable by the magnetic field and RSOI. For realistic RSOI strength in the presence of magnetic field and chirality, the RC can be tuned to be as high as $70\%$ by an external gate potential, indicating a giant JDE in our QD junction. Our proposed QD-based Josephson diode (JD) may serve as a potential superconducting device component.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (81)
  1. F. Braun, “Ueber die stromleitung durch schwefelmetalle,” Annalen der Physik 229, 556–563 (1875).
  2. F. Ando, Y. Miyasaka, T. Li, J. Ishizuka, T. Arakawa, Y. Shiota, T. Moriyama, Y. Yanase,  and T. Ono, “Observation of superconducting diode effect,” Nature 584, 373–376 (2020).
  3. N. Murakami, S. Nagaosa and C. Zhang, “Dissipationless quantum spin current at room temperature,” Science 301, 1348–1351 (2003).
  4. K. Misaki and N. Nagaosa, “Theory of the nonreciprocal josephson effect,” Phys. Rev. B 103, 245302 (2021).
  5. Y. Zhang, Y. Gu, P. Li, J. Hu,  and K. Jiang, “General theory of josephson diodes,” Phys. Rev. X 12, 041013 (2022).
  6. E. Strambini, M. Spies, N. Ligato, S. Ilić, M. Rouco, C. González-Orellana, M. Ilyn, C. Rogero, F. Bergeret, J. Moodera, et al., “Superconducting spintronic tunnel diode,” Nature communications 13, 2431 (2022).
  7. H. Narita, J. Ishizuka, R. Kawarazaki, D. Kan, Y. Shiota, T. Moriyama, Y. Shimakawa, A. V. Ognev, A. S. Samardak, Y. Yanase, et al., “Field-free superconducting diode effect in noncentrosymmetric superconductor/ferromagnet multilayers,” Nature Nanotechnology 17, 823–828 (2022).
  8. A. Daido, Y. Ikeda,  and Y. Yanase, “Intrinsic superconducting diode effect,” Phys. Rev. Lett. 128, 037001 (2022a).
  9. T. de Picoli, Z. Blood, Y. Lyanda-Geller,  and J. I. Väyrynen, “Superconducting diode effect in quasi-one-dimensional systems,” Phys. Rev. B 107, 224518 (2023).
  10. J.-X. Hu, Z.-T. Sun, Y.-M. Xie,  and K. T. Law, “Josephson diode effect induced by valley polarization in twisted bilayer graphene,” Phys. Rev. Lett. 130, 266003 (2023).
  11. R. S. Souto, M. Leijnse,  and C. Schrade, “Josephson diode effect in supercurrent interferometers,” Phys. Rev. Lett. 129, 267702 (2022).
  12. Y.-J. Wei, H.-L. Liu, J. Wang,  and J.-F. Liu, “Supercurrent rectification effect in graphene-based josephson junctions,” Phys. Rev. B 106, 165419 (2022).
  13. M. Davydova, S. Prembabu,  and L. Fu, “Universal josephson diode effect,” Science Advances 8, eabo0309 (2022).
  14. B. Zinkl, K. Hamamoto,  and M. Sigrist, “Symmetry conditions for the superconducting diode effect in chiral superconductors,” Phys. Rev. Res. 4, 033167 (2022).
  15. Y. V. Fominov and D. S. Mikhailov, “Asymmetric higher-harmonic squid as a josephson diode,” Phys. Rev. B 106, 134514 (2022).
  16. B. Lu, S. Ikegaya, P. Burset, Y. Tanaka,  and N. Nagaosa, “Tunable josephson diode effect on the surface of topological insulators,” Phys. Rev. Lett. 131, 096001 (2023).
  17. S. Banerjee and M. S. Scheurer, “Enhanced superconducting diode effect due to coexisting phases,” Phys. Rev. Lett. 132, 046003 (2024).
  18. A. Zazunov, R. Egger, T. Jonckheere,  and T. Martin, “Anomalous josephson current through a spin-orbit coupled quantum dot,” Phys. Rev. Lett. 103, 147004 (2009).
  19. P. Chatterjee and P. Dutta, “Quasiparticles-mediated thermal diode effect in weyl josephson junctions,”  (2023), arXiv:2312.05008 [cond-mat.supr-con] .
  20. Q. Cheng and Q.-F. Sun, “Josephson diode based on conventional superconductors and a chiral quantum dot,” Phys. Rev. B 107, 184511 (2023).
  21. G. L. J. A. Rikken, J. Fölling,  and P. Wyder, “Electrical magnetochiral anisotropy,” Phys. Rev. Lett. 87, 236602 (2001).
  22. N. N. Tokura, Y., “Nonreciprocal responses from non-centrosymmetric quantum materials,” Nat Commun 9, 3740 (2018).
  23. B. Pal, A. Chakraborty, P. K. Sivakumar, M. Davydova, A. K. Gopi, A. K. Pandeya, J. A. Krieger, Y. Zhang, M. Date, S. Ju, N. Yuan, N. B. M. Schröter, L. Fu,  and S. S. P. Parkin, “Josephson diode effect from cooper pair momentum in a topological semimetal,” Nature Physics 18, 1228–1233 (2022).
  24. N. F. Yuan and L. Fu, ‘‘Supercurrent diode effect and finite-momentum superconductors,” Proceedings of the National Academy of Sciences 119, e2119548119 (2022).
  25. J. J. He, Y. Tanaka,  and N. Nagaosa, “The supercurrent diode effect and nonreciprocal paraconductivity due to the chiral structure of nanotubes,” Nature Communications 14, 3330 (2023).
  26. J.-X. Lin, P. Siriviboon, H. D. Scammell, S. Liu, D. Rhodes, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. Hone, M. S. Scheurer,  and J. I. A. Li, “Zero-field superconducting diode effect in small-twist-angle trilayer graphene,” Nat. Phys. 18, 1221–1227 (2022b).
  27. H. D. Scammell, J. I. A. Li,  and M. S. Scheurer, “Theory of zero-field superconducting diode effect in twisted trilayer graphene,” 2D Materials 9, 025027 (2022).
  28. H. Wu, Y. Wang, Y. Xu, P. K. Sivakumar, C. Pasco, U. Filippozzi, S. S. P. Parkin, Y.-J. Zeng, T. McQueen,  and M. N. Ali, “The field-free josephson diode in a van der waals heterostructure,” Nature 604, 653–656 (2022).
  29. A. Daido, Y. Ikeda,  and Y. Yanase, “Intrinsic superconducting diode effect,” Phys. Rev. Lett. 128, 037001 (2022b).
  30. J. J. He, Y. Tanaka,  and N. Nagaosa, “A phenomenological theory of superconductor diodes,” New Journal of Physics , 053014 (2022).
  31. L. Bauriedl, C. Bäuml, L. Fuchs, C. Baumgartner, N. Paulik, J. M. Bauer, K.-Q. Lin, J. M. Lupton, T. Taniguchi, K. Watanabe, C. Strunk,  and N. Paradiso, “Supercurrent diode effect and magnetochiral anisotropy in few-layer nbse2,” Nature Communications 13, 4266 (2022).
  32. H. F. Legg, D. Loss,  and J. Klinovaja, “Superconducting diode effect due to magnetochiral anisotropy in topological insulators and rashba nanowires,” Phys. Rev. B 106, 104501 (2022).
  33. K. Chen, B. Karki,  and P. Hosur, “Intrinsic superconducting diode effects in tilted weyl and dirac semimetals,” arXiv:2309.11501  (2023).
  34. A. Costa, J. Fabian,  and D. Kochan, “Microscopic study of the josephson supercurrent diode effect in josephson junctions based on two-dimensional electron gas,” Phys. Rev. B 108, 054522 (2023).
  35. M. Trahms, L. Melischek, J. F. Steiner, B. Mahendru, I. Tamir, N. Bogdanoff, O. Peters, G. Reecht, C. B. Winkelmann, F. von Oppen,  and K. J. Franke, “Diode effect in josephson junctions with a single magnetic atom,” Nature 615, 628–633 (2023).
  36. B. Turini, S. Salimian, M. Carrega, A. Iorio, E. Strambini, F. Giazotto, V. Zannier, L. Sorba,  and S. Heun, “Josephson diode effect in high-mobility insb nanoflags,” Nano Lett. 22, 8502–8508 (2022).
  37. T. Liu, M. Smith, A. V. Andreev,  and B. Z. Spivak, “Giant nonreciprocity of current-voltage characteristics of noncentrosymmetric superconductor–normal metal–superconductor junctions,” Phys. Rev. B 109, L020501 (2024).
  38. A. Soori, “Josephson diode effect in junctions of superconductors with band asymmetric metals,”  (2023), arXiv:2312.14084 [cond-mat.supr-con] .
  39. Z. Liu, L. Huang,  and J. Wang, “Josephson diode effect in topological superconductor,” arXiv:2311.09009  (2023).
  40. Y.-F. Sun, Y. Mao,  and Q.-F. Sun, “Design of josephson diode based on magnetic impurity,” Phys. Rev. B 108, 214519 (2023).
  41. C. Ortega-Taberner, A.-P. Jauho,  and J. Paaske, “Anomalous josephson current through a driven double quantum dot,” Phys. Rev. B 107, 115165 (2023a).
  42. Q.-f. Sun, J. Wang,  and T.-h. Lin, “Control of the supercurrent in a mesoscopic four-terminal josephson junction,” Phys. Rev. B 62, 648–660 (2000).
  43. Q.-f. Sun, J. Wang,  and H. Guo, “Quantum transport theory for nanostructures with rashba spin-orbital interaction,” Phys. Rev. B 71, 165310 (2005).
  44. L. Dell’Anna, A. Zazunov, R. Egger,  and T. Martin, “Josephson current through a quantum dot with spin-orbit coupling,” Phys. Rev. B 75, 085305 (2007).
  45. H.-Z. Tang, Y.-T. Zhang,  and J.-J. Liu, “Josephson current through a quantum dot coupled to a majorana zero mode,” Journal of Physics: Condensed Matter 28, 175301 (2016).
  46. A. Soori, “Dc josephson effect in superconductor-quantum dot-superconductor junctions,”  (2021), arXiv:1905.01925 [cond-mat.mes-hall] .
  47. C. Ortega-Taberner, A.-P. Jauho,  and J. Paaske, “Anomalous josephson current through a driven double quantum dot,” Phys. Rev. B 107, 115165 (2023b).
  48. D. Loss and D. P. DiVincenzo, “Quantum computation with quantum dots,” Phys. Rev. A 57, 120–126 (1998).
  49. G.-J. Qiao, Z.-L. Zhang, S.-W. Li,  and C. P. Sun, “Controlling superconducting transistor by coherent light,”  (2023), arXiv:2305.04442 [cond-mat.mes-hall] .
  50. S. Lee, Y. Lee, E. B. Song,  and T. Hiramoto, “Observation of single electron transport via multiple quantum states of a silicon quantum dot at room temperature,” Nano Lett. 14, 71–77 (2014).
  51. A. Hirohata, K. Yamada, Y. Nakatani, I.-L. Prejbeanu, B. Diény, P. Pirro,  and B. Hillebrands, “Review on spintronics: Principles and device applications,” Journal of Magnetism and Magnetic Materials 509, 166711 (2020).
  52. H. Linke, “Quantum dots — seeds of nanoscience,” The Royal Swedish Academy of Sciences  (2023).
  53. R. E. I. Bychkov Yu. A., “Properties of a 2d electron gas with lifted spectral degeneracy,” JETP Letters 39, 78–81 (1984).
  54. T. Yokoyama, M. Eto,  and Y. V. Nazarov, “Anomalous josephson effect induced by spin-orbit interaction and zeeman effect in semiconductor nanowires,” Phys. Rev. B 89, 195407 (2014).
  55. A. Rasmussen, J. Danon, H. Suominen, F. Nichele, M. Kjaergaard,  and K. Flensberg, “Effects of spin-orbit coupling and spatial symmetries on the josephson current in sns junctions,” Phys. Rev. B 93, 155406 (2016).
  56. S. LaShell, B. A. McDougall,  and E. Jensen, “Spin splitting of an au(111) surface state band observed with angle resolved photoelectron spectroscopy,” Phys. Rev. Lett. 77, 3419–3422 (1996).
  57. K. Ishizaka, S. Bahramy, M, H. Murakawa, M. Sakano, T. Shimojima, T. Sonobe, K. Koizumi, S. Shin, H. Miyahara, A. Kimura, K. Miyamoto, T. Okuda, H. Namatame, M. Taniguchi, R. Arita, N. Nagaosa, K. Kobayashi, Y. Murakami, R. Kumai, Y. Kaneko, Y. Onose,  and Y. Tokura, “Giant rashba-type spin splitting in bulk bitei,” Nature Materials 10, 521–526 (2011).
  58. J. Nitta, T. Akazaki, H. Takayanagi,  and T. Enoki, “Gate control of spin-orbit interaction in an inverted in0.53subscriptn0.53{\mathrm{n}}_{0.53}roman_n start_POSTSUBSCRIPT 0.53 end_POSTSUBSCRIPTga0.47subscripta0.47{\mathrm{a}}_{0.47}roman_a start_POSTSUBSCRIPT 0.47 end_POSTSUBSCRIPTas/in0.52subscriptn0.52{\mathrm{n}}_{0.52}roman_n start_POSTSUBSCRIPT 0.52 end_POSTSUBSCRIPTal0.48subscriptl0.48{\mathrm{l}}_{0.48}roman_l start_POSTSUBSCRIPT 0.48 end_POSTSUBSCRIPTas heterostructure,” Phys. Rev. Lett. 78, 1335–1338 (1997).
  59. Y. Mao, Q. Yan, Y.-C. Zhuang,  and Q.-F. Sun, “Universal spin superconducting diode effect from spin-orbit coupling,”  (2023), arXiv:2306.09113 [cond-mat.supr-con] .
  60. L. V. Keldysh, “Diagram technique for nonequilibrium processes,” Zh. Eksp. Teor. Fiz. 47, 1515–1527 (1964).
  61. G. D. Mahan, Many Particle Physics, Third Edition (Plenum, New York, 2000).
  62. J. A. van Dam, Y. V. Nazarov, E. P. A. M. Bakkers, S. De Franceschi,  and L. P. Kouwenhoven, “Supercurrent reversal in quantum dots,” Nature , 667–670 (2006).
  63. M. Gupta, G. Graziano, M. Pendharkar, J. T. Dong, C. P. Dempsey, C. Palmstrøm,  and V. S. Pribiag, “Gate-tunable superconducting diode effect in a three-terminal josephson device,” Nat. Commun. 14 (2023).
  64. K. Bhattacharyya, D. Debnath,  and A. Chatterjee, “Rashba effect on finite temperature magnetotransport in a dissipative quantum dot transistor with electronic and polaronic interactions,” Sci Rep 13 (2023).
  65. I. G. Zacharia, D. Goldhaber-Gordon, G. Granger, M. A. Kastner, Y. B. Khavin, H. Shtrikman, D. Mahalu,  and U. Meirav, “Temperature dependence of fano line shapes in a weakly coupled single-electron transistor,” Phys. Rev. B 64, 155311 (2001).
  66. Z. Ma, Y. Zhu, X.-Q. Li, T.-h. Lin,  and Z.-B. Su, “Photon-assisted fano resonance and corresponding shot noise in a quantum dot,” Phys. Rev. B 69, 045302 (2004).
  67. S. Datta, Electronic transport in mesoscopic systems (Cambridge university press, 1997).
  68. R. Kubo, “The fluctuation-dissipation theorem,” Reports on Progress in Physics 29, 255 (1966).
  69. A. Kamenev, Field Theory of Non-Equilibrium Systems (Cambridge University Press, 2011).
  70. N. Lotfizadeh, B. Pekerten, P. Yu, W. Strickland, A. Matos-Abiague,  and J. Shabani, “Superconducting diode effect sign change in epitaxial al-inas josepshon junctions,”  (2023), arXiv:2303.01902 [cond-mat.mes-hall] .
  71. A. Assouline, C. Feuillet-Palma, N. Bergeal, T. Zhang, A. Mottaghizadeh, A. Zimmers, E. Lhuillier, M. Eddrie, P. Atkinson, M. Aprili, et al., “Spin-orbit induced phase-shift in bi2se3 josephson junctions,” Nature communications 10, 126 (2019).
  72. A. Buzdin, “Direct coupling between magnetism and superconducting current in the josephson φ0subscript𝜑0{\varphi}_{0}italic_φ start_POSTSUBSCRIPT 0 end_POSTSUBSCRIPT junction,” Phys. Rev. Lett. 101, 107005 (2008).
  73. I. V. Krive, A. M. Kadigrobov, R. I. Shekhter,  and M. Jonson, “Influence of the rashba effect on the josephson current through a superconductor/luttinger liquid/superconductor tunnel junction,” Phys. Rev. B 71, 214516 (2005).
  74. A. A. Reynoso, G. Usaj, C. A. Balseiro, D. Feinberg,  and M. Avignon, “Anomalous josephson current in junctions with spin polarizing quantum point contacts,” Phys. Rev. Lett. 101, 107001 (2008).
  75. A. Buzdin, “Peculiar properties of the josephson junction at the transition from 0 to π𝜋\piitalic_π state,” Phys. Rev. B 72, 100501 (2005).
  76. J. Hong, J. Lee, S. Joo, K. Rhie, B.-C. Lee, J. Lee, S.-Y. An, J. Kim,  and K.-H. Shin, “Control of the spin-orbit coupling by gate voltage in semiconductor fet structures,” Journal of the Korean Physical Society 457271 (2004).
  77. P. S. Eldridge, W. J. H. Leyland, P. G. Lagoudakis, O. Z. Karimov, M. Henini, D. Taylor, R. T. Phillips,  and R. T. Harley, “Temperature dependence of rashba spin-orbit coupling in quantum wells,”  (2007), arXiv:0707.4493 [cond-mat.other] .
  78. J. B. Miller, D. M. Zumbühl, C. M. Marcus, Y. B. Lyanda-Geller, D. Goldhaber-Gordon, K. Campman,  and A. C. Gossard, “Gate-controlled spin-orbit quantum interference effects in lateral transport,” Phys. Rev. Lett. 90, 076807 (2003).
  79. G. L. Chen, J. Han, T. T. Huang, S. Datta,  and D. B. Janes, “Observation of the interfacial-field-induced weak antilocalization in inas quantum structures,” Phys. Rev. B 47, 4084–4087 (1993).
  80. S. K. Greene, J. Singleton, P. Sobkowicz, T. D. Golding, M. Pepper, J. A. A. J. Perenboom,  and J. Dinan, “Subband occupancies and zero-field spin splitting in insb-cdte heterojunctions: magnetotransport experiments and self-consistent calculations,” Semiconductor Science and Technology 7, 1377 (1992).
  81. A. Manchon, H. C. Koo, J. Nitta, S. M. Frolov,  and R. A. Duine, “New perspectives for rashba spin–orbit coupling,” Nature Materials 14, 871– 882 (2015).
Citations (12)

Summary

We haven't generated a summary for this paper yet.

Whiteboard

Paper to Video (Beta)

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

Tweets

Sign up for free to view the 1 tweet with 1 like about this paper.