[論文レビュー] Magnetic Josephson Junctions and Superconducting Diodes in Magic Angle Twisted Bilayer Graphene

Jaime Díez-Mérida, A. Díez-Carlón+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 51被引用数 28

ひとこと要約

この論文は、 MATBG における相関ν = -2状態付近でゲート定義の磁気ジョセフソン接合を示し、磁気ヒステリシスを伴う位相シフトを持つ非慣例の Fraunhofer パターンを明らかにし、プログラム可能なゼロ磁場超伝導ダイオードを構築する。

ABSTRACT

The simultaneous co-existence and gate-tuneability of the superconducting (SC), magnetic and topological orders in magic angle twisted bilayer graphene (MATBG) open up entirely new possibilities for the creation of complex hybrid Josephson junctions (JJ). Here we report on the creation of gate-defined, magnetic Josephson junctions in MATBG, where the weak link is gate-tuned close to the correlated state at a moiré filling factor of ν=-2. A highly unconventional Fraunhofer pattern emerges, which is phase-shifted and asymmetric with respect to the current and magnetic field directions, and shows a pronounced magnetic hysteresis. Interestingly, our theoretical calculations of the JJ with a valley polarized ν=-2 with orbital magnetization as the weak link explain most of these unconventional features without fine tuning the parameters. While these unconventional Josephson effects persist up to the critical temperature Tc ~ 3.5K of the superconducting state, at temperatures below T < 800mK, we observed a pronounced magnetic hysteresis possibly due to further spin-polarization of the ν=-2 state. We demonstrate how the combination of magnetization and its current induced magnetization switching in the MATBG JJ allows us to realize a programmable zero field superconducting diode, which represents a major building block for a new generation of superconducting quantum electronics.

研究の動機と目的

• ハイブリッドジョセフソンデバイスのために MATBG における超伝導・磁性・トポロジーの共存秩序を動機づけ、探索する。
• ν = -2 相関状態付近でゲート調整された弱リンクを実証する。
• 位相シフトとヒステリシスを含む非慣例的ジョセフソン効果を特徴づける。
• 磁化と電流誘起スイッチングがゼロ磁場超伝導ダイオードを可能にすることを示す。
• MATBG JJ を用いたプログラム可能な超伝導量子電子機器の可能性について議論する。

提案手法

• MATBG の弱リンクをゲートで調整し、相関 ν = -2 状態へと導く。
• MATBG における磁気ジョセフソン接合を製造し、特性評価を行う。
• 電流および磁場の関数として Fraunhofer パターンとヒステリシスを測定する。
• 弱リンクとして軌道磁化をもつ谷偏極 ν = -2 の理論計算を行う。
• スピン偏極効果に関して Tc ~ 3.5 K までおよび 800 mK 以下の温度依存性を分析する。
• MATBG JJ における磁化と電流誘起スイッチングによるダイオード挙動を実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MATBG は ν = -2 相関状態に調整された弱リンクを持つゲート定義の磁気ジョセフソン接合をホストできるか？
• RQ2 弱リンクが谷偏極および軌道磁化を有する場合、フラウンホファー パターンにはどのような非慣例的特徴が現れるか？
• RQ3 デバイスは磁気ヒステリシスを示すか、温度とスピン偏 polarization にどう依存するか？
• RQ4 磁化と電流誘起スイッチングの組み合わせでゼロ磁場超伝導ダイオードを実現できるか？
• RQ5 観測された現象はパラメータの微調整なしに理論でどの程度説明できるか？

主な発見

• 電流と磁場方向に対して位相シフトし、非対称な非慣例的 Fraunhofer パターンが現れる。
• ジョセフソン応答に著しい磁気ヒステリシスが観測される。
• 谷偏極 ν = -2 と軌道磁化を用いた理論計算は、多くの特徴を微調整なしに説明する。
• 非慣例的効果は Tc ~ 3.5 K、超伝導転移温度まで持続する。
• T < 800 mK 未満で、磁気ヒステリシスの増強は ν = -2 状態のさらなるスピン偏極を示唆する。
• MATBG JJ における磁化と電流誘起スイッチングを用いたプログラム可能なゼロ磁場超伝導ダイオードの実証。