DOI: https://doi.org/10.1103/hf7s-f7tj
تاريخ النشر: 2026-03-09
المؤلف: Jorge Cayao وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد الطوبولوجية والظواهر
نظرة عامة
في هذه الدراسة، نحقق في ظهور تأثير جوزيفسون غير المحلي ضمن نظام مكون من ثلاثة سلاسل كيتاف الحد الأدنى المتصلة جانبياً، مما يؤدي إلى تحقيق تأثير ثنائي جوزيفسون غير محلي. نحدد أن عدم التوازن بين الانعكاسات أندرييف المتقاطعة والتوصيل المشترك للإلكترونات في سلسلة كيتاف المركزية يؤدي إلى طيف أندرييف غير متماثل، دوري بزاوية $2\pi$، يعتمد على الطور، والذي يتم تعديله بواسطة الأطوار الفائقة عند الوصلات اليسرى واليمنى. يسهل هذا الطيف غير المتماثل، الذي يتميز بحالات أندرييف المقيدة المهجنة، تياراً فائقاً عبر وصلة واحدة يتأثر بفارق الطور عند الوصلة الأخرى، مما يوضح تأثير جوزيفسون غير المحلي.
تظهر نتائجنا أن التيارات الفائقة غير المحلية لجوزيفسون يمكن أن تظهر تيارات حرجة إيجابية وسلبية متميزة، مما يشير إلى تأثير ثنائي جوزيفسون غير محلي قابل للتعديل بكفاءة تتجاوز 50%. يتطلب تحقيق هذا التأثير كسر التناظر الزمني المحلي والتناظر المحلي لتحويل الشحنة، وهي ميزة فريدة لسلاسل كيتاف الحد الأدنى. تشير النتائج إلى أن سلاسل كيتاف الحد الأدنى تعمل كمنصة قابلة للتحكم لهندسة ظواهر جوزيفسون غير المحلية، مع تطبيقات تجريبية محتملة بالفعل في متناول اليد. ستستكشف الأبحاث المستقبلية تداعيات مفهوم ثنائي جوزيفسون غير المحلي في سلاسل كيتاف الأطول، مما يوسع الفهم للظواهر الناشئة في هذه الأنظمة.
مقدمة
تناقش المقدمة مفهوم عدم المحلية في ميكانيكا الكم، وخاصة تداعياته على تقنيات الكم والأجهزة الفائقة التوصيل. عدم المحلية، المرتبطة غالباً بالتشابك، تتجلى في ظواهر مثل التوصيل غير المحلي في الوصلات الفائقة التوصيل ذات الطرفين وتأثير جوزيفسون غير المحلي (JE) الذي لوحظ في وصلات جوزيفسون متعددة الأطراف. بينما ركزت الأبحاث الكبيرة على الموصلات الفائقة التقليدية ذات الموجة $s$ ذات الدوران المفرد، لا تزال الموصلات الفائقة غير التقليدية ذات معلمات ترتيب غير محلية جوهرية غير مستكشفة بشكل كافٍ.
تستكشف هذه الدراسة تأثير جوزيفسون غير المحلي في نظام مكون من ثلاثة سلاسل كيتاف الحد الأدنى المتصلة جانبياً، والتي يمكن هندستها باستخدام نقاط الكم المتصلة بواسطة موصلات فائقة. يوضح المؤلفون أن التوصيل المشترك للإلكترونات (ECT) والانعكاسات أندرييف المتقاطعة (CAR) المتميزة في السلسلة الوسطى تؤدي إلى طيف أندرييف غير متماثل يعتمد على الطور، يمكن التحكم فيه بواسطة الأطوار الفائقة عند الوصلات. ينتج عن هذا الطيف تيار فائق محدود عبر وصلة واحدة يتأثر بفارق الطور عند الأخرى، مما يكشف عن تأثير جوزيفسون غير المحلي. علاوة على ذلك، يشير ظهور نقل جوزيفسون غير المتبادل، الذي يتميز بتيارات حرجة إيجابية وسلبية متميزة، إلى تأثير ثنائي جوزيفسون غير محلي، يمكن أن يحقق كفاءات تتجاوز 50% من خلال التلاعب الدقيق بـ CAR وECT وفوارق الطور. تسلط هذه النتائج الضوء على إمكانيات سلاسل كيتاف الحد الأدنى لاستكشاف ظواهر جوزيفسون غير المحلية القابلة للتعديل.
مناقشة
في هذه الدراسة، يستكشف المؤلفون نظام جوزيفسون المكون من ثلاثة سلاسل كيتاف الحد الأدنى، والتي تتصل جانبياً وتتميز بالطاقة الموضعية المتميزة، وشروط القفز، والجهود الفائقة. يكشف هاميلتونيان الذي يحكم النظام أن فوارق الأطوار بين السلاسل يمكن التحكم فيها خارجياً، مما يسمح باستكشاف سلوكيات فريدة تعتمد على الطور. من الجدير بالذكر أن النظام يظهر تأثير جوزيفسون غير المحلي، حيث يتأثر التيار الفائق عبر وصلة واحدة بفارق الطور عبر وصلة أخرى، وهو ظاهرة تُعزى إلى الطيف أندرييف غير المتماثل الناشئ عن عدم التوازن بين الانعكاسات أندرييف المتقاطعة (CAR) والتوصيل المشترك للإلكترونات (ECT) في السلسلة الوسطى.
تشير النتائج إلى أنه عندما تكون CAR وECT غير متساويتين، تؤدي حالات أندرييف المقيدة (ABSs) الناتجة إلى تيارات حرجة إيجابية وسلبية متميزة، مما يمكّن من تأثير ثنائي جوزيفسون غير محلي. يتميز هذا التأثير الثنائي بقطبية قابلة للتعديل وكفاءات كبيرة، تتجاوز 50%، يمكن التحكم فيها بواسطة الطور عبر الوصلة اليمنى. يؤكد المؤلفون أن هذه التأثيرات قابلة للتحقيق باستخدام التقنيات التجريبية الحالية، خاصة بالنظر إلى العروض السابقة للتحكم في نسب CAR وECT في أنظمة مماثلة. تقترح الدراسة اتجاهات بحث مستقبلية محتملة، بما في ذلك استكشاف سلاسل كيتاف الأطول وتداعيات هذه التأثيرات غير المحلية في سياقات أوسع.
DOI: https://doi.org/10.1103/hf7s-f7tj
Publication Date: 2026-03-09
Author(s): Jorge Cayao et al.
Primary Topic: Topological Materials and Phenomena
Overview
In this study, we investigate the emergence of the nonlocal Josephson effect within a system of three laterally coupled minimal Kitaev chains, leading to the realization of a nonlocal Josephson diode effect. We identify that an imbalance between crossed Andreev reflections and electron cotunneling in the central Kitaev chain results in an asymmetric, $2\pi$-periodic phase-dependent Andreev spectrum, which is modulated by the superconducting phases at the left and right junctions. This asymmetric spectrum, characterized by hybridized Andreev bound states, facilitates a supercurrent across one junction that is influenced by the phase difference at the other junction, thereby demonstrating the nonlocal Josephson effect.
Our findings reveal that the nonlocal Josephson supercurrents can exhibit distinct positive and negative critical currents, indicating a highly tunable nonlocal Josephson diode effect with efficiencies exceeding 50%. The realization of this effect necessitates the breaking of local time-reversal and local charge-conjugation symmetries, a feature unique to minimal Kitaev chains. The results suggest that minimal Kitaev chains serve as a controllable platform for engineering nonlocal Josephson phenomena, with potential experimental applications already within reach. Future research will explore the implications of the nonlocal Josephson diode concept in longer Kitaev chains, further expanding the understanding of emergent effects in these systems.
Introduction
The introduction discusses the concept of nonlocality in quantum mechanics, particularly its implications for quantum technologies and superconducting devices. Nonlocality, often associated with entanglement, manifests in phenomena such as nonlocal conductance in two-terminal superconducting junctions and the nonlocal Josephson effect (JE) observed in multi-terminal Josephson junctions. While significant research has focused on conventional spin-singlet $s$-wave superconductors, unconventional superconductors with intrinsic nonlocal order parameters remain underexplored.
This study investigates the nonlocal JE in a system of three laterally coupled minimal Kitaev chains, which can be engineered using quantum dots connected by superconductors. The authors demonstrate that distinct electron cotunneling (ECT) and crossed Andreev reflections (CAR) in the middle chain lead to an asymmetric phase-dependent Andreev spectrum, controllable by the superconducting phases at the junctions. This spectrum results in a finite supercurrent across one junction influenced by the phase difference at another, revealing the nonlocal JE. Furthermore, the emergence of a nonreciprocal Josephson transport, characterized by distinct positive and negative critical currents, indicates a nonlocal Josephson diode effect, which can achieve efficiencies exceeding 50% through careful manipulation of CAR, ECT, and phase differences. These findings highlight the potential of minimal Kitaev chains for exploring tunable nonlocal Josephson phenomena.
Discussion
In this study, the authors investigate a Josephson system composed of three minimal Kitaev chains, which are laterally coupled and characterized by distinct onsite energies, hopping terms, and superconducting potentials. The Hamiltonian governing the system reveals that the phase differences between the chains can be externally manipulated, allowing for the exploration of unique phase-dependent behaviors. Notably, the system exhibits a nonlocal Josephson effect, where the supercurrent across one junction is influenced by the phase difference across another junction, a phenomenon attributed to the asymmetric Andreev spectrum arising from an imbalance between crossed Andreev reflections (CAR) and electron cotunneling (ECT) in the middle chain.
The findings indicate that when CAR and ECT are unequal, the resulting Andreev bound states (ABSs) lead to distinct positive and negative critical currents, thus enabling a nonlocal Josephson diode effect. This diode effect is characterized by a tunable polarity and significant efficiencies, exceeding 50%, which can be controlled by the phase across the right junction. The authors emphasize that these effects are achievable with current experimental techniques, particularly given prior demonstrations of controlling CAR and ECT ratios in similar systems. The study suggests potential future research directions, including the exploration of longer Kitaev chains and the implications of these nonlocal effects in broader contexts.