[論文レビュー] A Josephson junction supercurrent diode

Christian Baumgärtner, Lorenz Fuchs+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 44被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、強いスピン軌道結合と面内磁場を用いて逆変換対称性および時間反転対称性を破ることで、InAs量子井戸上に作製された完全に超伝導的なジョセフソン接合素子において、超電流ダイオード効果を実証した。主な結果は、ジョセフソンインダクタンス測定および準定量的理論モデルにより確認された、量子化された超電流磁気的キラリシティ異方性係数 $\gamma_L$ を有する非可逆的超電流の実験的観測である。

ABSTRACT

Transport is called nonreciprocal when not only the sign, but also the absolute value of the current, depends on the polarity of the applied voltage. It requires simultaneously broken inversion and time-reversal symmetries, e.g., by the interplay of spin-orbit coupling and magnetic field. So far, observation of nonreciprocity was always tied to resistivity, and dissipationless nonreciprocal circuit elements were elusive. Here, we engineer fully superconducting nonreciprocal devices based on highly-transparent Josephson junctions fabricated on InAs quantum wells. We demonstrate supercurrent rectification far below the transition temperature. By measuring Josephson inductance, we can link nonreciprocal supercurrent to the asymmetry of the current-phase relation, and directly derive the supercurrent magnetochiral anisotropy coefficient for the first time. A semi-quantitative model well explains the main features of our experimental data. Nonreciprocal Josephson junctions have the potential to become for superconducting circuits what $pn$-junctions are for traditional electronics, opening the way to novel nondissipative circuit elements.

研究の動機と目的

• 完全に超伝導的なプラットフォーム上で、損失のない非可逆的超電流デバイスを実現すること。
• 超伝導転移温度よりはるかに低い温度で、超電流の整流を実証すること。
• 超伝導状態において、超電流磁気的キラリシティ異方性係数 $\gamma_L$ を実験的に測定し、定量すること。
• ジョセフソンインダクタンスを用いて、非可逆的超電流と電流-位相差関係の非対称性との間に相関を確立すること。
• 観測された非可逆的挙動を再現できる準定量的理論モデルの構築すること。

提案手法

• 2250個の島アレイ構造を有するInAs量子井戸上に、高透過性のジョセフソン接合素子を形成した。
• ラシュバスピン軌道結合と併用することで、面内磁場を用いて時間反転対称性および逆変換対称性を破った。
• 電流および磁場の向きを変化させながら、ジョセフソンインダクタンス $L(I)$ を測定し、電流-位相差関係の非対称性を調査した。
• $L(I)$ を2次まで展開し、$-2L_0' / (L_0 B_{\mathrm{ip}}) = \gamma_L \sin\theta$ の式を用いて、超電流磁気的キラリシティ異方性係数 $\gamma_L$ を抽出した。
• Kwantを用いた数値シミュレーションにより、有限サイズ効果および $\hat{z}$ 方向の閉じ込めポテンシャルを含む接合素子のモデル化を行った。
• 実験的 $L(I)$ 曲線と理論的予測を比較することで、非可逆性の起源を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 損失のない完全に超伝導的なデバイスで、非可逆的超電流の流れを実現できるか？
• RQ2 超伝導状態における超電流磁気的キラリシティ異方性係数 $\gamma_L$ の大きさとその起源は何か？
• RQ3 電流-位相差関係の非対称性は、ジョセフソンインダクタンス測定においてどのように現れるか？
• RQ4 超伝導状態における磁気的キラリシティ異方性の大きさが、$T_c$ 近傍の抵抗性輸送におけるそれと同程度であるのはなぜか？（異なるエネルギースケールにもかかわらず）
• RQ5 3次元的閉じ込めポテンシャルは、観測された非可逆的挙動の安定化に果たす役割は何か？

主な発見

• 超伝導転移温度 $T_c$ よりもはるかに低い温度で、超電流ダイオード効果が実験的に観測され、損失のない非可逆的超電流の流れが実証された。
• ジョセフソンインダクタンス測定から、初めて $\gamma_L$ が直接抽出された。
• 面内磁場を $\hat{y}$ 方向に印加した場合、ジョセフソンインダクタンス $L(I)$ はゼロ電流付近で明確な非対称性を示し、非可逆的超電流の存在が確認された。
• 有限の閉じ込めポテンシャル $V_{\mathrm{conf}}$ を含む理論的モデリングが、$L_0$ の $\theta$ 依存性の減少を含む実験的 $L(I)$ 動態を再現するために不可欠であった。
• $\gamma_L$ の大きさは、$T_c$ 近傍の抵抗性キラリシティ異方性係数 $\gamma_S$ と同等のオーダーであり、スピン軌道結合に加えて非自明な相互作用が関与している可能性を示唆した。
• 観測された非可逆性は、ラシュバスピン軌道結合と面内磁場の相互作用によって誘発される電流-位相差関係の $\varphi_0$ シフトに起因していることが特定された。