扭曲节点超导体中的约瑟夫森二极管效应

近期对高-$T_c$ 铜氧化物超导体 Bi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_{8+x}$ 扭曲薄片的约瑟夫森隧穿实验揭示了层间临界约瑟夫森电流的非互易行为——即约瑟夫森二极管效应。受这些发现的启发，我们从理论上研究了节点超导体之间扭曲界面上约瑟夫森二极管效应的出现，并强调了其对扭曲角 $\theta$ 和结阻尼的强烈依赖。在所有情况下，该理论预言的二极管效率在 $\theta = 45^\circ$ 处精确为零，并在接近 $\theta = 45^\circ$ 的扭曲角处有一个强峰，与实验观测一致。在 $45^\circ$ 附近，该结自发破缺时间反演对称性 ${\cal T}$。我们发现，对于表现出滞回行为的欠阻尼结，这导致在 ${\cal T}$ 破缺相的一部分中出现一种\emph{动力学}约瑟夫森二极管效应。在这种情况下，二极管的方向可通过扫掠外部电流偏置来训练。该效应为自发 ${\cal T}$ 破缺提供了灵敏的探测手段。然后我们表明，具有垂直于结平面磁场对称性的显式 ${\cal T}$ 破缺扰动会导致一种{\em 热力学}二极管效应，该效应即使在过阻尼极限下也依然存在。我们讨论了一种实验方案，用于探测约瑟夫森自由能中的双阱结构，该结构是导致自发 ${\cal T}$ 破缺倾向的根源，即使 ${\cal T}$ 被显式破缺。最后，我们展示了面内磁场可在短结极限下控制二极管效应，并预言了显式 ${\cal T}$ 破缺在 Shapiro 台阶中的特征。