[論文レビュー] Dynamical vortex transitions in a gate-tunable Josephson junction array

C. G. L. Bøttcher, Fabrizio Nichele+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 42被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、Al/InAsヘテロ構造を用いたゲート可変2次元ジョセフソン接合アレイにおけるダイナミカルなヴォーテックス遷移を調査する。ゲート電圧によりジョセフソン結合とヴォーテックスピン留めが制御可能であり、整数および半整数フラックス量子/プラケットにおける電流駆動遷移が観測された。f=1では非対称なスケーリング、f=1/2では対称な挙動を示し、超伝導相と異常金属相におけるヴォーテックスダイナミクスの相違を示しており、Mott遷移予測とは一致しない非ユニバーサルなスケーリング指数を示している。

ABSTRACT

We explore vortex dynamics in a two-dimensional Josephson junction array of micron-size superconducting islands fabricated from an epitaxial Al/InAs superconductor-semiconductor heterostructure, with a global top gate controlling Josephson coupling and vortex pinning strength. With applied dc current, minima of differential resistance undergo a transition, becoming local maxima at integer and half-integer flux quanta per plaquette, $f$. The zero-field transition from the superconducting phase is split, but unsplit for the anomalous metal phase, suggesting that pinned vortices are absent or sparse in the superconducting phase, and abundant but frozen in the anomalous metal. The onset of the transition is symmetric around $f=1/2$ but skewed around $f=1$, consistent with a picture of dilute vortices/antivortices on top of a checkerboard ($f = 1/2$) or uniform array of vortices ($f = 1$). Transitions show good scaling but with exponents that differ from Mott values obtained earlier. Besides the skewing at $f=1$, transitions show an overall even-odd pattern of skewing around integer $f$ values, which we attribute to vortex commensuration in the square array leading to symmetries around half-integer $f$.

研究の動機と目的

• ゲート可変2次元ジョセフソン接合アレイにおけるダイナミカルなヴォーテックス遷移を調査し、ジョセフソン結合とヴォーテックスピン留めを制御可能とする。
• 観測された遷移が、特にスケーリング挙動と指数において、Mott絶縁体の融解理論と一致するかを同定する。
• ヴォーテックス共鳴と格子対称性が、異なるフラックス量子における抵抗の極小・極大の形状とずれをどのように決定するかを調査する。
• ゼロフラックスにおける遷移構造から示唆されるように、超伝導相（ヴォーテックス非存在）と異常金属相（ヴォーテックス凍結）におけるヴォーテックス行動の違いを検討する。

提案手法

• エpitaxial Al/InAs 超伝導体-半導体ヘテロ構造を用いたマイクロスケールジョセフソン接合アレイの作製。
• グローバルトップゲートを用いて、ジョセフソン結合エネルギー（EJ）とヴォーテックスピン留めポテンシャル（EB）を独立して調整。
• プラケットあたりの磁束（f = Φ/Φ₀）を変化させながら、直流電流を印加した状態で微分抵抗（dV/dI）を測定。
• log-logプロットを用いたスケーリング解析により、遷移付近の微分抵抗（d/dI(dV/dI_s - dV/dI_s|_I=I₀)）と1/bの関係を評価し、臨界定数εを抽出。
• f=1/2およびf=1における遷移の左・右の分岐を別々に分析し、非対称性を考慮。分離子付近のデータをフィルタリング処理。
• 観測されたスケーリング指数をMott遷移予測と比較し、整数f値周辺の偶奇によるずれのパターンを分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲート電圧は、2次元超伝導体-半導体ジョセフソン接合アレイにおけるジョセフソン結合とヴォーテックスピン留めをどのように制御するか？
• RQ2 f=1では強い非対称性を示すが、f=1/2では対称であるにもかかわらず、両者ともヴォーテックス格子の共鳴に起因する。なぜそのような差が生じるのか？
• RQ3 ヴォーテックス遷移付近での観測されたスケーリング指数は、Mott遷移モデルと一致するか、それとも別の普遍性クラスを示唆するか？
• RQ4 ヴォーテックス共鳴と格子幾何学的構造は、整数フラックス量子周辺で観測された偶奇パターンのずれを生じさせる役割を果たすか？
• RQ5 超伝導相（ヴォーテックス非存在）と異常金属相（ヴォーテックス凍結）におけるヴォーテックス集団の違いは何か？

主な発見

• f=0では、超伝導相の遷移が二つの極小に分裂しており、ヴォーテックスや反ヴォーテックスが存在しないことを示しており、それらがゼロ磁束で消失するBKT相転移と整合的である。
• 異常金属相では、f=0の遷移は分裂せず、ゼロ磁束でも凍結したヴォーテックスや反ヴォーテックスが存在することを示唆している。
• f=1/2における遷移はf=1/2を中心に対称的であり、チェッカーボード構造のヴォーテックス格子と半分埋めの反射対称性を反映している。
• f=1における遷移は強く歪んでおり、完全なヴォーテックス格子上での過剰ヴォーテックスの融解は容易だが、欠損ヴォーテックス（反ヴォーテックス）の分離は困難であるため、ヴォーテックス結合の異方性を示している。
• 高次の整数フラックス量子（f=2,3,4）周辺では、偶奇パターンのずれが観測され、ヴォーテックスが正方格子と共鳴することで整数fで対称性が破れ、半整数で鏡映対称性が現れる。
• スケーリング解析により、Mott遷移の値とは異なる非ユニバーサルな指数が得られ、この系におけるヴォーテックス融解転移が標準的なMott絶縁体モデルに従わないことを示唆しており、Alベースのアレイにおける結合ポテンシャルが弱いための可能性がある。