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Pei-Hao Fu
Author with expertise in Topological Insulators and Superconductors
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Field-effect Josephson diode via asymmetric spin-momentum locking states

Pei-Hao Fu et al.May 29, 2024
Recent breakthroughs in Josephson diodes dangle the possibility of extending conventional nonreciprocal electronics into the realm of superconductivity. While a strong magnetic field is recognized for enhancing diode efficiency, it concurrently poses a risk of undermining the essential superconductivity required for nondissipative devices. To circumvent the need for magnetic based tuning, we propose a field-effect Josephson diode based on the electrostatic gate control of finite momentum Cooper pairs in asymmetric spin-momentum-locking states. We propose two possible implementations of our gate-controlled mechanism: (i) a topological field-effect Josephson diode in time-reversal-broken quantum spin Hall insulators; and (ii) semiconductor-based field-effect Josephson diodes attainable in current experimental setups involving a Zeeman field and spin-orbit coupling. Notably, the diode efficiency is highly enhanced in the topological field-effect Josephson diode because the current carried by the asymmetric helical edge states is topologically protected and can be tuned by local gates. In the proposed Josephson diode, the combination of gates and asymmetric spin-momentum-locking nature is equivalent to that of a magnetic field, thus providing an alternative electrical operation in designing nonreciprocal superconducting devices.
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Interplay between Haldane and modified Haldane models in Î±âˆ’T3 lattice: Band structures, phase diagrams, and edge states

Kok Lee et al.Jun 3, 2024
We study the topological properties of the Haldane and modified Haldane models in $\ensuremath{\alpha}\text{\ensuremath{-}}{T}_{3}$ lattice. The band structures and phase diagrams of the system are investigated. Individually, each model undergoes a distinct phase transition: (i) the Haldane-only model experiences a topological phase transition from the Chern insulator $(\mathcal{C}=1)$ phase to the higher Chern insulator $(\mathcal{C}=2)$ phase; while (ii) the modified-Haldane-only model experiences a phase transition from the topological metal phase to the higher Chern insulator phase with identical Chern number $\mathcal{C}=2$, indicating that $\mathcal{C}$ is insufficient to characterize this system because of the indirect band gap. By plotting the Chern number and $\mathcal{C}$ phase diagram, we show that in the presence of both Haldane and modified Haldane models in the $\ensuremath{\alpha}\text{\ensuremath{-}}{T}_{3}$ lattice, the interplay between the two models manifests three distinct topological phases, namely the $\mathcal{C}=1$ Chern insulator (CI) phase, $\mathcal{C}=2$ higher Chern insulator (HCI) phase, and $\mathcal{C}=2$ topological metal (TM) phase. These results are further supported by the $\ensuremath{\alpha}\text{\ensuremath{-}}{T}_{3}$ Hall conductance, zigzag, and armchair edge states calculations. This work elucidates the rich phase evolution of the Haldane and modified Haldane models as $\ensuremath{\alpha}$ varies continuously from 0 to 1 in an $\ensuremath{\alpha}\text{\ensuremath{-}}{T}_{3}$ model, thus suggesting $\ensuremath{\alpha}\text{\ensuremath{-}}{T}_{3}$ lattice as a versatile condensed matter platform for studying topological phase transitions.
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Implementation of a transverse Cooper-pair rectifier using an N-S junction

Pei-Hao Fu et al.Jan 17, 2025
Nonreciprocal devices are key components in modern electronics covering broad applications ranging from transistors to logic circuits owing to the output rectified signal in the direction parallel to the input. In this Letter, we propose a transverse Cooper-pair rectifier in which a nonreciprocal current is perpendicular to the driving field, when inversion, time-reversal, and mirror symmetries are broken simultaneously. The Blonder-Tinkham-Klapwijk formalism is developed to describe the transverse current-voltage relation in a normal-metal–superconductor tunneling junction, where symmetry constraints are achieved by an effective built-in supercurrent manifesting in an asymmetric and anisotropic Andreev reflection. The asymmetry in the Andreev reflection is induced when inversion and time-reversal symmetry are broken by the supercurrent component parallel to the junction while the anisotropy occurs when the mirror symmetry with respect to the normal of the junction interface is broken by the perpendicular supercurrent component to the junction. Compared to the conventional longitudinal one, the transverse rectifier supports fully polarized diode efficiency and colossal nonreciprocal conductance rectification, completely decoupling the path of the input excitation from the output rectified signal. This Letter provides a formalism for realizing transverse nonreciprocity in superconducting junctions, which is expected to be achieved by modifying current experimental setups and may pave the way for future low-dissipation superconducting electronics. locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon Physics Subject Headings (PhySH)Andreev reflectionDiodesSuperconducting devicesBogoliubov-de Gennes equations