[論文レビュー] Emergent Interfacial Superconductivity between Twisted Cuprate Superconductors

Sai Zhao, Nicola Poccia+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 16被引用数 43

ひとこと要約

本論文は、原子レベルで鋭いねじれをもつBi2Sr2CaCu2O8+x界面がジョセフソン接合を形成し、ねじれ角に依存した結合を示すこと、d波ペアリング特性と45度付近で現れる共トンネル超伝導を明らかにし、分数量のShapiroステップを含むことを示している。

ABSTRACT

Twisted interfaces between stacked van der Waals cuprate crystals enable tunable Josephson coupling between in-plane anisotropic superconducting order parameters. Employing a novel cryogenic assembly technique, we fabricate Josephson junctions with an atomically sharp twisted interface between Bi2Sr2CaCu2O8+x crystals. The Josephson critical current density sensitively depends on the twist angle, reaching the maximum value comparable to that of the intrinsic junctions at small twisting angles, and is suppressed by almost 2 orders of magnitude yet remains finite close to 45 degree twist angle. Through the observation of fractional Shapiro steps and the analysis of Fraunhofer patterns we show that the remaining superconducting coherence near 45 degree is due to the co-tunneling of Cooper pairs, a necessary ingredient for high-temperature topological superconductivity.

研究の動機と目的

• Bi2Sr2CaCu2O8+x層間のねじれが界面ジョセソン結合をどのように制御するかを調べる。
• ねじれた銅酸化物界面を横断する対称性と電流-位相関を調べる。
• 界面超伝導を保持したまま、超低温・無溶媒の高品質なねじれジョセソン接合の製作を実証する。
• 45度近傍での共トンネルの兆候と潜在的なトポロジカル超伝導状態を探る。

提案手法

• Argon中での低温・完全乾燥のvdW転写技術を用いて原子レベルで鋭いねじれBSCCO界面を作製する。
• 4端子I-V特性を測定し、J_CとR_Nを抽出して角度に対するI_C R_Nを得る。
• 入射磁場下でフラウンホーファー・パターンを解析し、有効厚さと二次高調波のCPR兆候を推定する。
• マイクロ波誘起Shapiroステップ測定を実施し、整数・半整数ステップとそれらと電流-位相関の関係を同定する。
• I_C R_Nの角度依存をd波超伝導体の理論的期待（cos(2θ)挙動）と比較する。
• 界面の品質と構造的一体性を確認するために断面STEM/AFMを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BSCCO層間のねじれ角θが界面を横断するジョセフソン臨界電流密度J_Cをどのように変調するか？
• RQ2 ねじれ銅酸化物界面はジョセフソン輸送とフラウンホーファー干渉縞にd波対ペアリングの兆候を示すか？
• RQ3 Cooper対の共トンネルと θ ≈ 45°近傍での出現する秩序パラメータの証拠はあるか？
• RQ4 45°ねじれ付近のShapiroステップの特徴と電流-位相関は何か？
• RQ5 低温・乾式アセンブリ条件下で界面が高温超伝導と純粋な界面構造を維持できるか？

主な発見

• J_C R_Nは角度依存に従い ~ |cos(2θ̃)| に一致し、d波超伝導体間の非コヒーレントトンネルと一致する。
• θ̃ ≈ π/4 (45°)付近でJ_Cは有限だが強く抑制され、フラウンホーファー縞は共トンネルによる有効厚さの増大を示す。
• 45°近傍のフラウンホーファー測定は、より大きな有効厚さまたは高次の電流成分に対応する短い振動周期を示す。
• ねじれ角が約1°以内の45°付近で半整数Shapiroステップが現れ、電流-位相関における二次高調波が支配的であることを示す。
• 45°近傍の角度で、有限温度T_Mで最大値をもつ非単調なI_C R_N(T)の証拠があり、d波対称性の節点・反節点寄与の競合を支持する。
• θ = 0°ではジョセフソン結合が高品質な接合を達成し、intrinsic BSCCO接合のJ_Cに匹敵する程度で、界面品質がintrinsic接合と同等であることを示している。