[論文レビュー] Diode effect in Josephson junctions with a single magnetic atom

Martina Trahms, Larissa Melischek+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、走査トンネル顕微鏡を用いてPb–Pbヨージェフソン接合に1つの磁性原子を挿入することで、原子スケールの超伝導ダイオードを実現した。非可逆的超電流は、スピン極化されたユウ＝シバ＝ルジノフ状態を通る準粒子電流によって生じ、ダイオード効果の大きさと方向は原子種によって調整可能であり、完全に調整可能なプラットフォーム上で単一原子による非可逆的超電流の制御が可能である。

ABSTRACT

Current flow in electronic devices can be asymmetric with bias direction, a phenomenon underlying the utility of diodes and known as non-reciprocal charge transport. The promise of dissipationless electronics has recently stimulated the quest for superconducting diodes, and non-reciprocal superconducting devices have been realized in various non-centrosymmetric systems. Probing the ultimate limits of miniaturization, we have created atomic-scale Pb--Pb Josephson junctions in a scanning tunneling microscope. Pristine junctions stabilized by a single Pb atom exhibit hysteretic behavior, confirming the high quality of the junctions, but no asymmetry between the bias directions. Non-reciprocal supercurrents emerge when inserting a single magnetic atom into the junction, with the preferred direction depending on the atomic species. Aided by theoretical modelling, we trace the non-reciprocity to quasiparticle currents flowing via Yu-Shiba-Rusinov (YSR) states inside the superconducting energy gap. Our results open new avenues for creating atomic-scale Josephson diodes and tuning their properties through single-atom manipulation.

研究の動機と目的

• 外部磁場を用いずに原子スケールのヨージェフソン接合で非可逆的超電流を実現すること。
• 単一磁性原子が反転対称性を破り、超伝導回路でダイオード的挙動を引き起こす役割を調査すること。
• 原子スケールにおける超電流輸送における非可逆性の微視的起源を特定すること。
• 単一原子操作と磁性吸着原子種の選択によって、ダイオード効果の調整が可能であることを実証すること。
• 原子精度で準粒子輸送メカニズムを調べるためのテストベッドを提供すること。

提案手法

• Pb(111)表面に超伝導性走査トンネル顕微鏡（STM）プローブを用いて、原子スケールのPb–Pbヨージェフソン接合を形成した。
• STMを用いた操作により、接合内に単一磁性原子（Pb、Cr、Mn）を挿入し、単一原子接合を形成した。
• ヒステリシス的スイッチングおよびリトラップ電流を観測するため、電流バイアス $V-I$ 測定を実施し、非可逆的挙動を示した。
• 実験的 $I-V$ 追跡から、パラメトリックモデル（式6）を用いてジョーズェフソンピークをフィッティングおよび差し引くことで、準粒子電流 $I_{\textrm{qp}}(V)$ を抽出した。
• 抵抗性シャント接合（RSJ）モデル（式4）を用いた理論的モデリングにより、$V-I$ 曲線をシミュレートし、非対称性の起源を分析した。
• 非対称な電流・位相差関係（式5）のシミュレーションを実施し、スイッチングおよびリトラップ電流の実験的ヒストグラムと比較することで、競合するメカニズムを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場を用いずに、単一磁性原子をヨージェフソン接合に挿入することで非可逆的超電流を誘発できるか？
• RQ2 原子スケールの超伝導接合で観測されたダイオード効果の微視的起源は何か？
• RQ3 磁性吸着原子（Cr 対 Mn）の選択が、非可逆的電流の大きさと方向にどのように影響を与えるか？
• RQ4 スイッチングおよびリトラップ電流の観測された非対称性は、非対称な電流・位相差関係に起因するのか、それとも散乱的準粒子電流に起因するのか？
• RQ5 単一原子操作を用いて、超伝導ナノ構造におけるダイオード挙動を調整・制御できるか？

主な発見

• Pb–Pbヨージェフソン接合に単一磁性原子（Cr や Mn）を挿入すると強い非可逆的超電流が誘発されるが、純粋なPb接合では非対称性は観測されない。
• ダイオード効果は、超伝導ギャップ内に存在するスピン極化されたユウ＝シバ＝ルジノフ（YSR）状態を通る準粒子電流に起因すると理論的モデリングで確認された。
• ダイオード効果の符号と大きさは、磁性吸着原子の選択によって調整可能であり、Mn接合ではCr接合とは逆方向の電流が優位に流れる。
• スイッチングおよびリトラップ電流の実験的ヒストグラムでは、リトラップ電流に強い非対称性、スイッチング電流に弱い非対称性が観測されたが、これは非対称な電流・位相差関係と仮定した場合にのみ再現可能であった。
• 準粒子電流 $I_{\textrm{qp}}(V)$ は、$I-V$ データからフィットモデル（式6）を用いて抽出され、Pb、Cr、Mn接合それぞれのフィッティングパラメータが提供された。
• 理論的シミュレーションにより、非対称な電流・位相差関係は観測された非対称性の原因でないことが排除され、YSR状態を通る散乱的準粒子輸送が主因であると確認された。