[論文レビュー] Josephson Diode Effect in High Mobility InSb Nanoflags

Bianca Turini, Sedighe Salimian+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、整流対称性と時間反転対称性を破る平面内磁場が、バルク性の高いInSbナノフラッグにおけるジョセフソン接合に作用し、ラシュバスピン軌道結合に起因する非可逆的超電流の流れを誘発するジョセフソンダイオード効果（JDE）を実証した。主な結果として、磁場の垂直配置時に最大となり、温度上昇によって抑制される、調整可能な非損失的整流が達成された。これにより、低損失超伝導エレクトロニクスのための有望なプラットフォームとしてInSbが示された。

ABSTRACT

We report evidence of non-reciprocal dissipation-less transport in single ballistic InSb nanoflag Josephson junctions, owing to a strong spin-orbit coupling. Applying an in-plane magnetic field, we observe an inequality in supercurrent for the two opposite current propagation directions. This demonstrates that these devices can work as Josephson diodes, with dissipation-less current flowing in only one direction. For small fields, the supercurrent asymmetry increases linearly with the external field, then it saturates as the Zeeman energy becomes relevant, before it finally decreases to zero at higher fields. We show that the effect is maximum when the in-plane field is perpendicular to the current vector, which identifies Rashba spin-orbit coupling as the main symmetry-breaking mechanism. While a variation in carrier concentration in these high-quality InSb nanoflags does not significantly influence the diode effect, it is instead strongly suppressed by an increase in temperature. Our experimental findings are consistent with a model for ballistic short junctions and show that the diode effect is intrinsic to this material. Our results establish InSb Josephson diodes as a useful element in superconducting electronics.

研究の動機と目的

• 高品質なInSbナノフラッグを用いた単一平面ジョセフソン接合における内在的非可逆的超電流輸送を実証すること。
• ラシュバスピン軌道結合がジョセフソンダイオード効果の主な対称性破壊機構である役割を特定すること。
• ジョセフソンダイオード効果が平面内磁場の向き、強さ、温度にどのように依存するかを調査すること。
• キャリア濃度の変動などの外的要因が影響しないことを排除することで、効果の内在的性質を確立すること。
• 理論的モデルと整合する、バルク的で短い接合領域におけるジョセフソンダイオード効果の実験的妥当性を提供すること。

提案手法

• 超伝導接点を有する単一のバルク的InSbナノフラッグジョセフソン接合に対して、低温度における磁気輸送測定を実施した。
• 超電流非対称性の角度依存性を調査するため、電流方向に対して可変な角度で平面内磁場を印加した。
• スイッチング電流測定を用いて、整流係数 η = ΔI_sw / B_ip を抽出した。ここで ΔI_sw = |I_sw^+ - I_sw^-| である。
• B_ip に比例する係数 m = η / B_ip を、θ（電流と平面内磁場のなす角）の sin(θ) の関数としてフィッティングした。
• 30 mK から 200 mK の温度範囲で温度依存測定を実施し、熱的抑制が効果に与える影響を評価した。
• 異常位相シフトを有するバルク的SNS接合に基づく理論的モデリングを用いて、磁場および温度依存の超電流非対称性を解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高移動度のInSbナノフラッグに平面内磁場を作用させた場合、非可逆的超電流輸送の起源は何か？
• RQ2 ジョセフソンダイオード効果は、電流方向に対して平面内磁場の向きがどのように依存するか？
• RQ3 温度上昇に伴い、この効果はどの程度抑制されるのか。その理由は何か？
• RQ4 この効果は材料の内在的性質に起因するものか、それともキャリア濃度の変動などの外的要因に影響を受けるのか？
• RQ5 観測された超電流非対称性は、短接合におけるラシュバスピン軌道結合と異常位相シフトに基づくモデルで説明可能か？

主な発見

• ジョセフソンダイオード効果が単一平面InSbナノフラッグジョセフソン接合で観測され、平面内磁場によって非可逆的超電流が誘発された。
• 超電流非対称性は、平面内磁場が約58 mTまで線形に増加し、その後飽和に達した後、より高い磁場でゼロに減少する。
• 平面内磁場が電流方向に対して垂直に配置された際に整流が最大となり、ラシュバスピン軌道結合が主な対称性破壊機構であることを確認した。
• 非対称性対B_ipの線形フィットから、整流係数 α = -2.9 ± 0.2 T⁻¹ が抽出され、特徴的な磁場 B₀ = 345 mT が得られた。
• 温度上昇に伴い効果が顕著に抑制され、30 mK から 200 mK にかけて |α| が著しく減少した。これは、電流-位相関係における高次調波の速やかな減衰に起因する。
• キャリア濃度の変動に対しては頑健であるが、高温で消失することから、量子コherー二ンスと電流-位相関係における高次調波寄与に依存していることが示された。