拓扑绝缘体表面d波超导体结中二极管效应的理论

非中心对称量子材料的非互易响应近来引起广泛关注，其对于二极管中的整流功能至关重要。近期的一项突破是超导二极管效应的发现。人们迫切希望获得放大整流效应的原理，以指导超导二极管的设计。在此，我们从理论上研究了拓扑绝缘体（TI）表面的约瑟夫森结 S/FI/S（S：$d$波超导体，FI：铁磁绝缘体）。在约瑟夫森电流 $I(\varphi)$ 中同时存在几乎同量级的 $\sin\varphi$、$\cos\varphi$ 和 $\sin 2\varphi$ 项，对于获得更大的 $Q$ 因子值至关重要，其中 $Q=(I_{c}^{+} - \mid I_{c}^{-} \mid)/ (I_{c}^{+} + \mid I_{c}^{-} \mid)$，$I_{c}^{+}={\rm max}(I(\varphi))$，而负值 $I_{c}^{-}$ 对应 TI 上两个超导体宏观相位差 $\varphi$。我们发现，通过调节 $d$波超导体的晶轴与 FI 的磁化强度，可展现出极大的二极管效应。正向与负向的最大约瑟夫森电流 $I_{c}$ 之差可达约 2 倍，其中电流-相位关系相较传统情形被大幅改变。我们还揭示了界面处零能马约拉纳束缚态的相关性。该结果可为 realization 低能耗高效超导二极管铺平道路。