[論文レビュー] Gate-tunable Superconducting Diode Effect in a Three-terminal Josephson Device

Mohit Gupta, Gino V. Graziano+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、外延的アルミニウムでプロキシマイズされたInAs二次元電子系を用いた三端子ジョセフソン素子において、ゲートで制御可能な超伝導ダイオード効果を実証している。このダイオード効果は、わずかな垂直方向磁場によって誘導される高調波的電流-位相差関係（CPR）の設計によって生じており、非可逆的臨界電流の大きさと符号を完全に静電的制御可能であり、エネルギー損失のない電子素子やトポロジカルキュービットへの応用が期待される。

ABSTRACT

The phenomenon of non-reciprocal critical current in a Josephson device, termed the Josephson diode effect, has garnered much recent interest. Realization of the diode effect requires inversion symmetry breaking, typically obtained by spin-orbit interactions. Here we report observation of the Josephson diode effect in a three-terminal Josephson device based upon an InAs quantum well two-dimensional electron gas proximitized by an epitaxial aluminum superconducting layer. We demonstrate that the diode efficiency in our devices can be tuned by a small out-of-plane magnetic field or by electrostatic gating. We show that the Josephson diode effect in these devices is a consequence of the artificial realization of a current-phase relation that contains higher harmonics. We also show nonlinear DC intermodulation and simultaneous two-signal rectification, enabled by the multi-terminal nature of the devices. Furthermore, we show that the diode effect is an inherent property of multi-terminal Josephson devices, establishing an immediately scalable approach by which potential applications of the Josephson diode effect can be realized, agnostic to the underlying material platform. These Josephson devices may also serve as gate-tunable building blocks in designing topologically protected qubits.

研究の動機と目的

• 内在的材料特性や大インダクタンスに依存しない三端子ジョセフソン素子において、ゲートで制御可能なジョセフソンダイオード効果を実証すること。
• このダイオード効果が、磁場と静電的ゲーティングによって誘導される合成的高調波的電流-位相差関係（CPR）に起因することを確立すること。
• ダイオード効率と極性が電気的にチューニング可能であり、正負のバイアス応答を逆転可能に制御できることを示すこと。
• マルチ端子構造を活用して、非線形信号整流および周波数混合を実証し、信号処理やニューロモーフィックアーキテクチャへの応用可能性を示すこと。
• トポロジカル量子計算に応用可能なスケーラブルで材料に依存しないジョセフソンダイオード効果実現プラットフォームを確立すること。

提案手法

• 10 nmのアルミニウム超伝導層で外延的プロキシマイズされたInAs二次元電子系（2DEG）を用いた三端子ジョセフソン素子の作製。
• Y字型Alジャンクションの各腕にTi/Auトップゲートを設け、端子間の結合を独立してチューニングし、局所的な超伝導位相を制御。
• 時間反転対称性を破るため、わずかな垂直方向磁場を印加し、電流-位相差関係（CPR）における高調波成分の位相差を誘導。
• CPRのシミュレーションにより、磁場による位相差が原因で合成的高調波CPR（例：sin(φ)とsin(3φ)の項を含む）が生じ、非可逆的臨界電流が出現することを示す。
• 正方向および逆方向の電流バイアス下での微分抵抗および臨界電流非対称性の測定により、ダイオード効率を定量的に評価。
• 関数発生器とロックイン検出を用いて、マルチ端子構造を活用した非線形DC周波数混合および二信号整流の実証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 内在的スピン-軌道結合や大インダクタンスに依存しない三端子ジョセフソン素子において、ジョセフソンダイオード効果を実現できるか？
• RQ2 静電的ゲーティングが、このデバイスにおける非可逆的臨界電流の大きさと符号にどのように影響を与えるか？
• RQ3 このプラットフォームにおけるダイオード効果の起源は何か—具体的には、高調波的電流-位相差関係の設計によるものか？
• RQ4 静電的ゲートまたはわずかな磁場を用いて、ダイオード効果を正負の極性間で逆転可能に制御できるか？
• RQ5 このデバイスのマルチ端子構造は、整流や周波数混合といった非線形信号処理関数をどの程度実現可能にするか？

主な発見

• ゲート電圧とわずかな垂直方向磁場によってチューニング可能な、測定されたダイオード効率（Q）を示す三端子InAs/Alヘテロ構造デバイスでジョセフソンダイオード効果を観測。
• 非可逆的臨界電流は、磁場による位相差によって誘導された高調波成分（例：sin(φ)とsin(3φ)）を含む合成的CPRに起因する。
• ダイオード極性（すなわち、どのバイアス方向で臨界電流が大きいか）は、わずかな磁場（数μT）を印加するか、ゲート電圧を調整することで切り替え可能であり、完全な電気的制御が可能。
• マルチ端子構造とCPRの非線形性を活用し、非線形DC周波数混合および同時二信号整流を実証。
• 低温下でも安定であり、200 mK未満で臨界電流の飽和が観測され、熱揺らぎに対して安定であることが示された。
• このメカニズムは材料に依存しない：常により単純なsin(φ) CPRを持つ系であれば、外部磁場や幾何構造によって高調波を導入することで、このダイオード効果を実現可能。