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Yee Ang
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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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Experimental observation of exceptional bound states in a classical circuit network

Deyuan Zou et al.May 29, 2024
Exceptional bound (EB) states represent an unique new class of robust bound states protected by the defectiveness of non-Hermitian exceptional points. Conceptually distinct from the more well-known topological states and non-Hermitian skin states, they were recently discovered as a novel source of negative entanglement entropy in the quantum entanglement context. Yet, EB states have been physically elusive, being originally interpreted as negative probability eigenstates of the propagator of non-Hermitian Fermi gases. In this work, we show that EB states are in fact far more ubiquitous, also arising robustly in broad classes of systems whether classical or quantum. This hinges crucially on a newly-discovered spectral flow that rigorously justifies the EB nature of small candidate lattice systems. As a highlight, we present their first experimental realization through an electrical circuit, where they manifest as prominent stable resonant voltage profiles. Our work brings a hitherto elusive but fundamentally distinctive quantum phenomenon into the realm of classical metamaterials, and provides a novel pathway for the engineering of robust modes in otherwise sensitive systems.
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Two-Dimensional GeC/MXY (M = Zr, Hf; X, Y = S, Se) Heterojunctions Used as Highly Efficient Overall Water-Splitting Photocatalysts

Guangzhao Wang et al.Jun 12, 2024
Hydrogen generation by photocatalytic water-splitting holds great promise for addressing the serious global energy and environmental crises, and has recently received significant attention from researchers. In this work, a method of assembling GeC/MXY (M = Zr, Hf; X, Y = S, Se) heterojunctions (HJs) by combining GeC and MXY monolayers (MLs) to construct direct Z-scheme photocatalytic systems is proposed. Based on first-principles calculations, we found that all the GeC/MXY HJs are stable van der Waals (vdW) HJs with indirect bandgaps. These HJs possess small bandgaps and exhibit strong light-absorption ability across a wide range. Furthermore, the built-in electric field (BIEF) around the heterointerface can accelerate photoinduced carrier separation. More interestingly, the suitable band edges of GeC/MXY HJs ensure sufficient kinetic potential to spontaneously accomplish water redox reactions under light irradiation. Overall, the strong light-harvesting ability, wide light-absorption range, small bandgaps, large heterointerfacial BIEFs, suitable band alignments, and carrier migration paths render GeC/MXY HJs highly efficient photocatalysts for overall water decomposition.
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Electronic, optical, elastic, and thermal properties of the half-Heusler-derived Ti2FeNiSb2: A DFT study

Shaobo Chen et al.Jun 10, 2024
The electronic, optical, elastic, and thermal transport properties of half-Heusler-derived (HHD) Ti2FeNiSb2 are comprehensively characterized via density functional theory. The stability of HHD Ti2FeNiSb2 is evaluated by the phonon dispersion, formation energy, and phase separation, and its elastic constants meet the mechanically stable conditions. HHD Ti2FeNiSb2 is predicted to be an indirect nonmagnetic semiconductor with a bandgap of 0.94 (PBE) eV and 1.75 (HSE06) eV. To further understand the electronic structures, the atomic orbital projection of the electronic band structure is systematically studied and discussed. The band structures and bandgap can be sensitively tuned by the strain. The calculated elastic and optical properties indicate that Ti2FeNiSb2 has good ductility and hardness, and the optical property calculations reveal its excellent potential for harvesting solar energy. Using the elastic properties, the minimum lattice thermal conductivity is evaluated by the Slack, Clarke, and Cahill models. Based on the Slack model, the lattice thermal conductivity is 5.93 W/mK at 300 K; this value is consistent with the experimental value.
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The external electric field induces Rashba and Zeeman spin splitting in non-polar MXene Lu2CF2 monolayers for spintronics application

Shaobo Chen et al.Jun 17, 2024
For the application of the spintronics devices, large Rashba spin splitting and Zeeman spin splitting are required. However, the absence of spin splitting in the non-polar MXene Lu2CT2 (T = F, OH) with mirror symmetry limits the functionality of the spintronics applications. In this paper, by the density functional theory calculation, the effect of the electric field on the electronic properties along with the spin polarization of MXene Lu2CT2 (T = F, OH) are investigated. For Lu2CF2, the electric field can effectively regulate the energy band structures resulting in the indirect-direct band gap transition and semiconductor-metal transition. The spin splitting and spin polarization that are not observed in the situation of the intrinsic systems are established due to the breaking of the mirror symmetry by a suitable external electric field, which is sufficient to support the spintronics functionality. Furthermore, the electric field can effectively control the in-plane Rashba spin splitting and out-of-plane Zeeman spin splitting. The parameters of Rashba and the warping coefficients are comprehensively studied by using the effective k·p model. Therefore, our results provide a possible way to induce and tune Rashba spin splitting and Zeeman spin splitting in the MXene by an external electric field, which is useful for spintronic devices.
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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
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