[論文レビュー] Evidence of $ϕ$0-Josephson junction from skewed diffraction patterns in Sn-InSb nanowires

B. Zhang, Zupeng Li+11 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 13

ひとこと要約

本研究は、スピン・オービット結合および高次ジョセフソン調和成分によって引き起こされる、スピン・オービット結合に起因する非反転対称的電流・位相差関係を示す、Sn-InSbナノワイヤヘテロ構造における$φ_0$-ジョセフソン接合の実験的証明を提供する。この非反転対称的性質は、スピン・オービット結合と高次ジョセフソン調和成分に起因し、物性モデルとタイトバインディングシミュレーションにより確認された。この結果は、トポロジカル超伝導および量子回路設計に重要な意味を持つ。

ABSTRACT

We study Josephson junctions based on InSb nanowires with Sn shells. We observe skewed critical current diffraction patterns: the maxima in forward and reverse current bias are at different magnetic flux, with a displacement of 20-40 mT. The skew is greatest when the external field is nearly perpendicular to the nanowire, in the substrate plane. This orientation suggests that spin-orbit interaction plays a role. We develop a phenomenological model and perform tight-binding calculations, both methods reproducing the essential features of the experiment. The effect modeled is the $ϕ$0-Josephson junction with higher-order Josephson harmonics. The system is of interest for Majorana studies: the effects are either precursor to or concomitant with topological superconductivity. Current-phase relations that lack inversion symmetry can also be used to design quantum circuits with engineered nonlinearity.

研究の動機と目的

• トポロジカル超伝導の主要な特徴である$φ_0$-ジョセフソン接合状態を、Sn被膜を有するInSbナノワイヤで検出すること。
• SQUIDベースの測定において、ゲート駆動によるフラックスシフトと$φ_0$-シフト効果を分離する技術的課題を克服すること。
• 臨界電流対磁場の歪んだ回折パターンが、非正弦的かつ非対称な電流・位相差関係の強力なプローブであることを示すこと。
• 観測された歪みとナノワイヤ系におけるスピン・オービット相互作用との関連を確立すること。
• 高次ジョセフソン調和成分が位相オフセットおよび非対称な臨界電流応答の原因であることを検証すること。

提案手法

• イン-plane磁場を変化させた状態で、Sn-InSbナノワイヤジョセフソン接合の臨界電流回折パターンを測定する。
• 最初および第二調和成分を含む$φ_0$-シフト付き正弦的電流・位相差関係を組み込んだ物性モデルを用いる。
• 外部磁場下でのジョセフソン電流および電流・位相差関係をシミュレートするためのタイトバインディング電子構造計算を実施する。
• シミュレートされた電流・位相差関係をフーリエ展開し、正弦および余弦調和成分の振幅を抽出し、非ゼロの位相シフトを同定する。
• 化学ポテンシャルを調整するためのゲート電圧を系統的に変化させ、歪係数$γ$への影響を調査する。
• 1.1 Kまで低下した温度依存測定を実施し、歪み効果が熱揺らぎに対して堅牢であることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 歪んだ臨界電流回折パターンは、ハイブリッド超伝導体-半導体ナノワイヤにおける$φ_0$-ジョセフソン接合の信頼できる特徴として機能するか？
• RQ2 観測された回折パターンの歪みの起源は何か？また、磁場の方向および強度にどのように依存するか？
• RQ3 高次ジョセフソン調和成分およびスピン・オービット結合は、非反転対称的電流・位相差関係にどの程度寄与しているか？
• RQ4 ゲート電圧は系の応答をどのように制御するか？また、外部的フラックスシフトと内在的$φ_0$-シフト効果を分離するのにも使用可能か？
• RQ5 観測された$φ_0$-様の挙動は、タイトバインディングモデルおよびCPRのフーリエ分解からの理論予測と整合的か？

主な発見

• 前後方向の電流バイアスピーク間の最大40 mTのずれが観測され、非反転対称的電流・位相差関係を示している。
• 磁場がナノワイヤに垂直なインプレーン方向にあるとき、歪みが最大となり、スピン・オービット結合の強い寄与が示唆される。
• タイトバインディングシミュレーションにより、観測された効果が、第一および第二調和成分の組み合わせに起因し、基底状態の位相シフト$δ\phi$に起因することが確認された。
• 第二調和成分がCPRに顕著に寄与しており、低磁場領域では第一調和成分と第二調和成分の正弦項振幅比が約4:1に達する。
• 基底状態の位相シフト$φ_{10}$および$φ_{20}$は$B_x$に比例して増加し、100 mTまで線形的に増加する。これは、磁場依存的$φ_0$-様の挙動を確認するものである。
• 1.1 Kまでの温度依存測定により、歪みが持続することが確認され、熱的起源ではなく、デコherenceに対して堅牢であることが示された。