[論文レビュー] Magnetic-field-free nonreciprocal transport in graphene multi-terminal Josephson junctions

Fan Zhang, Asmaul Smitha Rashid+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2023

Quantum and electron transport phenomena参考文献 47被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、非対称なグラフェンチャネルにおける空間的鏡映性の破れを用いて、磁場を要しない再構成可能非再帰的輸送をマルチターミナルグラフェンジョセフソン接合で実証した。非再帰性は、非対称ジョセフソン接合に起因する、異なる端子間での臨界電流の不均衡（I_c,jk ≠ I_c,kj）に起因し、回路ネットワークモデルでは最大30%の理論的効率を達成した。実験的検証では、三端子デバイスで約24%の効率が得られた。

ABSTRACT

Nonreciprocal superconducting devices have attracted growing interest in recent years as they potentially enable directional charge transport for applications in superconducting quantum circuits. Specifically, the superconducting diode effect has been explored in two-terminal devices that exhibit superconducting transport in one current direction while showing dissipative transport in the opposite direction. Here, we exploit multi-terminal Josephson junctions (MTJJs) to engineer magnetic-field-free nonreciprocity in multi-port networks. We show that when treated as a two-port electrical network, a three-terminal Josephson junction (JJ) with an asymmetric graphene region exhibits reconfigurable two-port nonreciprocity. We observe nonreciprocal (reciprocal) transport between superconducting terminals with broken (preserved) spatial mirror symmetry. We explain our observations by considering a circuit-network of JJs with different critical currents.

研究の動機と目的

• 外部磁場や電流バイアスなしに、マルチターミナルジョセフソン接合で非再帰的超伝導輸送を達成すること。
• 非対称なグラフェンチャネルにおける空間的鏡映性の破れが二端子非再帰的輸送を引き起こすことを実証すること。
• 異なる臨界電流を持つジョセフソン接合の回路ネットワークモデルを構築し、非再帰的挙動を説明および予測すること。
• 非再帰的輸送の効率を定量的に評価し、接合の非対称性に依存するメカニズムを明らかにすること。
• 三端子および四端子のグラフェンベースジョセフソン接合において、理論モデルを実験的に検証すること。

提案手法

• エッジ接触を用いてマルチターミナルジョセフソン接合を形成するため、hBN/グラフェン/hBNのvan der Waalsヘテロ構造をフォームした。
• 特定の端子間で空間的鏡映性を破るために、非対称なグラフェンチャネル幾何形状を設計した。
• コンデンサがゼロの抵抗性シャント接合（RSJ）モデルを用いて、電圧-電流特性および臨界電流をシミュレーションした。
• 非再帰性を、異なる臨界電流（I_c,jk ≠ I_c,kj）によって定義した。ここで、I_c,kjは端子jに電流を注入した際、端子kでの最大電流を表す。
• ジョセフソン接合のネットワークとしてシステムをモデル化し、異なる臨界電流（I_c1, I_c2, I_c3）を用い、電流-位相差関係式 I = I_c sin(ϕ) + G dϕ/dt を適用した。
• 非対称性パラメータ x = I_c3 / I_c1 を変化させ、非再帰的効率 η に与える影響を調査した。数値シミュレーションにより、約30%のプラトーが得られた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場や電流バイアスを一切適用しない状態で、マルチターミナルジョセフソン接合において非再帰的輸送を達成できるか？
• RQ2 グラフェンチャネルにおける空間的鏡映性の破れは、二端子非再帰的輸送にどのように影響するか？
• RQ3 このようなシステムにおける非再帰的輸送の理論的最大効率は何か？ また、接合の非対称性にどのように依存するか？
• RQ4 異なる臨界電流を持つジョセフソン接合の回路ネットワークモデルは、観測された非再帰的挙動を定量的に説明できるか？
• RQ5 単一端子定義（I_c^+ ≠ I_c^-）は、マルチポート超伝導ネットワークに対しても有効か？

主な発見

• 外部磁場やバイアス電流なしに、三端子および四端子のグラフェンジョセフソン接合で非再帰的輸送が実験的に観測された。
• 非再帰的輸送は、空間的鏡映性が破られた端子間でのみ発現し、対称な端子間では再帰的輸送が維持された。
• 三端子デバイスでは非再帰的効率が約24%に達し、RSJモデルによる理論的最大値30%とよく一致した。
• 非対称性の増大に伴い効率が向上し、高値のxにおいて約30%に飽和し、根本的な上限があることが示された。
• より高いチャネル対称性を有する四端子デバイスでは、非再帰的効率はわずか約7%にとどまり、鏡映性の破れの重要性が確認された。
• 本研究では、単一端子定義の非再帰的性質がマルチポートネットワークでは成立せず、再帰的接合がこのような定義下では非再帰的と誤って評価される可能性があることが示された。