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凝聚态物理 > 超导性

arXiv:2508.21357 (cond-mat)
[提交于 2025年8月29日 ]

标题: 基于WTe$_{2}$的约瑟夫森结中的边缘依赖约瑟夫森二极管效应

标题: Edge dependent Josephson Diode effect in WTe$_{2}$-Based Josephson junction

Authors:Guo-Liang Guo, Xiao-Hong Pan, Hao Dong, Xin Liu
摘要: 约瑟夫森二极管效应(JDE),一种非互易超电流,是未来无耗散电子技术的基石,然而在简单的器件结构中实现高效率仍然是一个重大挑战。 在这里,我们理论研究了基于单层 1T'-WTe$_2$的结中的 JDE。 我们首先确定 WTe$_2$纳米带的不同边缘终止会导致多样的电子能带结构,其中一些结构即使在晶体学等效的终止下也具有不对称的边缘态。 这种内在的不对称性为实现 JDE 提供了一个自然平台。 通过基于 WTe$_2$的约瑟夫森结,我们展示了当磁通量破坏时间反演对称性时,纯粹由这些不对称边缘产生的显著 JDE。 虽然这种由边缘态驱动的 JDE 效率本身受到限制,但我们发现了一个关键机制来增强它:通过将化学势调入体带,边缘和体输运通道之间的相互作用使最大二极管效率提高了超过$50\%$。 此外,我们表明这种增强的 JDE 对中等程度的边缘无序具有鲁棒性。 我们的发现不仅提出了一种利用内在材料特性实现高效 JDE 的新途径,还突显了工程化 WTe$_2$系统在开发先进超导量子器件方面的潜力。
摘要: The Josephson diode effect (JDE), a nonreciprocal supercurrent, is a cornerstone for future dissipationless electronics, yet achieving high efficiency in a simple device architecture remains a significant challenge. Here, we theoretically investigate the JDE in a junction based on monolayer 1T'-WTe$_2$. We first establish that different edge terminations of a WTe$_2$ nanoribbon lead to diverse electronic band structures, some of which host asymmetric edge states even with crystallographically equivalent terminations. This intrinsic asymmetry provides a natural platform for realizing the JDE. With a WTe$_2$-based Josephson junction, we demonstrate a significant JDE arising purely from these asymmetric edges when time-reversal symmetry is broken by a magnetic flux. While the efficiency of this edge-state-driven JDE is inherently limited, we discover a crucial mechanism for its enhancement: by tuning the chemical potential into the bulk bands, the interplay between edge and bulk transport channels boosts the maximum diode efficiency more than $50\%$. Furthermore, we show that this enhanced JDE is robust against moderate edge disorder. Our findings not only propose a novel route to achieve a highly efficient JDE using intrinsic material properties but also highlight the potential of engineered WTe$_2$ systems for developing advanced superconducting quantum devices.
主题: 超导性 (cond-mat.supr-con)
引用方式: arXiv:2508.21357 [cond-mat.supr-con]
  (或者 arXiv:2508.21357v1 [cond-mat.supr-con] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.21357
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Guo-Liang Guo [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2025 年 8 月 29 日 06:50:13 UTC (2,311 KB)
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