[論文レビュー] On the Role of Out-of-Equilibrium Phonons in Gated Superconducting Switches

Markus F. Ritter, N. Crescini+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ゲート付き金属ナノワイヤーにおける超伝導性の抑制が、表面の電場によるものではなく、高エネルギー電子電流が非平衡状態のフォノンを生成することに起因することを示している。主な発見は、電子が互いに離れたゲート間（最大1 µm離れていても）流れ込む場合でも臨界電流の抑制が発生することであり、これはフォノンを介した準粒子注入が、直接的な電場効果よりも優勢なメカニズムであることを証明している。

ABSTRACT

Recent experiments suggest the possibility to tune superconductivity in metallic nanowires by application of modest gate voltages. It is largely debated whether the effect is due to an electric field at the superconductor surface or small currents of high-energy electrons. We shed light on this matter by studying the suppression of superconductivity in sample geometries where the roles of electric field and electron-current flow can be clearly separated. Our results show that suppression of superconductivity does not depend on the presence or absence of an electric field at the surface of the nanowire, but requires a current of high-energy electrons. The suppression is most efficient when electrons are injected into the nanowire, but similar results are obtained also when electrons are passed between two remote electrodes at a distance $d$ to the nanowire (with $d$ in excess of $1~\mathrm{μm}$). In the latter case, high-energy electrons decay into phonons which propagate through the substrate and affect superconductivity in the nanowire by generating quasiparticles. We show that this process involves a non-thermal phonon distribution, with marked differences from the loss of superconductivity due to Joule heating near the nanowire or an increase in the bath temperature.

研究の動機と目的

• ゲート付き金属ナノワイヤーにおける超伝導性のゲート誘起抑制が、電場か電子電流のどちらによって支配されているかという長年の議論を解消すること。
• 電場と電子電流の流れの役割を分離し、超伝導臨界電流の抑制に寄与する要因をテストすること。
• 高エネルギー電子が生成するフォノンが、ナノワイヤーから1 µmを超える距離にすら及ぼす超伝導性抑制を媒介できるかを調査すること。
• 高エネルギー電子注入と非熱的準粒子生成の因果関係を確立すること。
• フォノンを介した準粒子注入に基づく電圧制御可能な超伝導スイッチの明確なメカニズムを提供すること。

提案手法

• 電子ビームリソグラフィーと反応性イオンエッチングを用いて、インヒレントシリコン基板上にTiNナノワイヤーとゲート電極を形成した。
• 3次元有限要素電気的シミュレーションを実施し、ゲート電圧有無にかかわらず電場分布をマップした。
• ミリケルビン温度（20 mK）で同期された歯車状電流スイープを用いて、臨界電流（I_C）とゲート電流（I_G）を同時に測定した。
• ゲート電圧差を印加して、ナノワイヤーへの電子注入、それからの抽出、または最大1 µm離れたゲート間を流れる電流を誘導した。
• トンネル分光法とスイッチング確率分布を用いて、準粒子分布および非平衡状態を調査した。
• ゲート電流測定から線形リーク成分を差し引いて、真の注入電流を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲート付きナノワイヤーにおける超伝導性の抑制は、ナノワイヤー表面に電場が存在するかどうかに依存するか？
• RQ2 遠く離れた電極間（d > 1 µm）を流れる高エネルギー電子電流が、直接接触がなくても超伝導性を抑制できるか？
• RQ3 抑制メカニズムは、電子の緩和によって生成される非熱的フォノンに起因するのか、それともジュール加熱やバスタイムプ温度上昇に起因するのか？
• RQ4 ナノワイヤーへの電子注入とナノワイヤー周辺を流れる電子の流れの、超伝導性抑制に対する相対的な効率はどの程度か？
• RQ5 観測された臨界電流の抑制は、熱的効果ではなく非平衡フォノン分布によって説明できるか？

主な発見

• 超伝導性の抑制は、表面電場とは独立しており、電場分布のシミュレーションにより、抑制が観測されない状況でも強い電場が存在することが確認された。
• 臨界電流の抑制は、高エネルギー電子がナノワイヤーに直接注入される場合に最も効率が良く、最適なゲート電圧で90％を超える抑制が達成された。
• 2つの遠く離れたゲート間（d > 1 µm）で電子が流れ込む場合にも同様の抑制が観測され、フォノンが媒介する効果であることが証明された。
• 抑制メカニズムは非熱的フォノン分布に起因しており、ジュール加熱やバスタイムプ温度上昇とは明確に異なることが、スイッチング確率分布によって裏付けられた。
• ゲート電流測定から、電子注入と準粒子生成の間に明確な相関が認められ、関連する電圧領域でI_Gが最大100 pAに達した。
• 電場を最小限に抑えた状況でも抑制は持続し、複数のデバイス形状および温度（20 mKから3 K）にわたり、頑健であることが確認された。