具有 Andreev 和 Majorana 束缚态的 Josephson 二极管效应

超导体-半导体混合系统可用于实现 Josephson 二极管效应，在该效应中，由于 Josephson 效应与外加磁场的相互作用，超流表现出非互易性。这些结可以在相同的条件下容纳 Andreev 态和 Majorana 态，尽管它们与 Josephson 二极管效应的相互作用尚不清楚。在本工作中，我们考虑了均匀 Zeeman 场下基于超导体-半导体系统的短 Josephson 结，并研究了在存在 Andreev 态和 Majorana 态时的 Josephson 二极管效应。在一般条件下，平行于自旋轨道轴的 Zeeman 场分量促进了作为超导相位函数的不对称低能谱，这一不对称性在分别容纳 Andreev 束缚态和 Majorana 束缚态的平庸相和拓扑相中持续存在。有趣的是，这种不对称性产生了不是相位差奇函数的超流，导致了非互易行为和 Josephson 二极管效应。我们表明，在同时存在零能 Andreev 束缚态和 Majorana 束缚态的情况下，Josephson 二极管效应尤为显著，这揭示了 Josephson 二极管可以在超导体-半导体混合系统的平庸相和拓扑相中实现。随后我们证明，通过在长超导体中变得更加明显的振荡行为，二极管效率随 Zeeman 场的演化可以映射拓扑相变和 Majorana 束缚态的形成。虽然 Josephson 二极管通常存在于 Josephson 结的平庸相和拓扑相中，但我们发现在隧穿区中，由于 Majorana 束缚态的有限贡献，仅保留了拓扑相中的 Josephson 二极管效应。我们的发现阐明了 Josephson 二极管效应，并有助于实现仅含 Majorana 的 Josephson 二极管。