Topological Andreev rectification

物理 电导 弹道传导 凝聚态物理 安德列夫反射 整改 约瑟夫森效应 拓扑(电路) 超导电性 费米气体 量子隧道 量子力学 电子 功率(物理) 数学 组合数学
作者
Pok Man Tam,Christophe De Beule,C. L. Kane
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:107 (24) 被引量:3
标识
DOI:10.1103/physrevb.107.245422
摘要

We develop the theory of an Andreev junction, which provides a method to probe the intrinsic topology of the Fermi sea of a two-dimensional electron gas (2DEG). An Andreev junction is a Josephson $\pi$ junction proximitizing a ballistic 2DEG, and exhibits low-energy Andreev bound states that propagate $\textit{along}$ the junction. It has been shown that measuring the nonlocal Landauer conductance due to these Andreev modes in a narrow linear junction leads to a topological Andreev rectification (TAR) effect characterized by a quantized conductance that is sensitive to the Euler characteristic $\chi_F$ of the 2DEG Fermi sea. Here we expand on that analysis and consider more realistic device geometries that go beyond the narrow linear junction and fully adiabatic limits considered earlier. Wider junctions exhibit additional Andreev modes that contribute to the transport and degrade the quantization of the conductance. Nonetheless, we show that an appropriately defined $\textit{rectified conductance}$ remains robustly quantized provided large momentum scattering is suppressed. We verify and demonstrate these predictions by performing extensive numerical simulations of realistic device geometries. We introduce a simple model system that demonstrates the robustness of the rectified conductance for wide linear junctions as well as point contacts, even when the nonlocal conductance is not quantized. Motivated by recent experimental advances, we model devices in specific materials, including InAs quantum wells, as well as monolayer and bilayer graphene. These studies indicate that for sufficiently ballistic samples observation of the TAR effect should be within experimental reach.

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