Physics of Josephson diodes formed from 1T-transition metal dichalcogenides

Abstract

Nicht-reziproke kritische Ströme in Supraleitern, die als supraleitender Diodeneffekt bezeichnet werden, haben wegen ihres Potenzials zur Schaffung energieeffizienter supraleitender Elektronik viel Aufmerksamkeit erregt. In dieser Arbeit wird über die Beobachtung einer starken Nicht-Reziprozität der kritischen Ströme in Josephson-Übergängen aus den beiden Van-der-Waals-Übergangsmetall-Dichalcogeniden 1T-NiTe2 und 1T-PtTe2 berichtet, die als Josephson-Dioden-Effekt bezeichnet wird. Die verborgene Inversionssymmetriebrechung in der Struktur dieser Materialien führt zu einem ‘helikales spin-momentum locking’ in der Bandstruktur. Die Rolle dieser Bandstruktur bei der Erzeugung eines starken zweiten harmonischen Superstroms, die Abstimmbarkeit der relativen Phasen zwischen ersten und zweiten harmonischen Superströmen durch ein Zeeman-Feld und die Erzeugung von Cooper-Paaren mit endlichem Impuls wird experimentell untersucht und mit Hilfe eines phänomenologischen Modells analysiert.

Non-reciprocal critical current in superconductors labelled the superconducting diode effect has attracted a lot of attention for its potential in creating energy-efficient superconducting devices for computing applications. In this dissertation, the observation of strong non-reciprocity in the critical currents in Josephson junctions made of two van der Waals transition metal dichalcogenides 1T-NiTe2 and 1T-PtTe2, named the Josephson diode effect is reported. The hidden inversion-symmetry breaking in the structure of these materials naturally gives rise to a helical spin-momentum locking in the band structure of these materials. The role of this helical spin-momentum locking in the creation of a strong second harmonic supercurrent term, the tunability of relative phases between first and second harmonic supercurrents through a Zeeman field and the creation of finite momentum Cooper pairs is explored experimentally and supported by a phenomenological model.