[論文レビュー] Superconducting Diode Effect Sign Change in Epitaxial Al-InAs Josepshon Junctions

Neda Lotfizadeh, Schiela, William F.+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 41被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、強いラシバスピンオービット結合（SOC）を有するエpitaxial Al-InAsヨセフソン接合において、面内磁場下で超伝導ダイオード効果（SDE）の符号反転を実証した。SDEの符号反転は、狭い超伝導幅（$W_S = 0.15\,\mu\text{m}$）では低磁場領域におけるSOC誘発臨界電流非対称性に起因するが、広い接合（$W_S = 0.6\,\mu\text{m}$）では、必ずしもトポロジカル超伝導性を示すとは限らない$0-\pi$-様の遷移と関連している。

ABSTRACT

There has recently been a surge of interest in studying the superconducting diode effect (SDE) partly due to the possibility of uncovering the intrinsic properties of a material system. A change of sign of the SDE at finite magnetic field has previously been attributed to different mechanisms. Here, we observe the SDE in epitaxial Al-InAs Josephson junctions with strong Rashba spin-orbit coupling (SOC). We show that this effect strongly depends on the orientation of the in-plane magnetic field. In the presence of a strong magnetic field, we observe a change of sign in the SDE. Simulation and measurement of supercurrent suggest that depending on the superconducting widths, $W_ ext{S}$, this sign change may not necessarily be related to 0--$π$ or topological transitions. We find that the strongest sign change in junctions with narrow $W_ ext{S}$ is consistent with SOC-induced asymmetry of the critical current under magnetic-field inversion, while in wider $W_ ext{S}$, the sign reversal could be related to 0--$π$ transitions and topological superconductivity.

研究の動機と目的

• 強いラシバスピンオービット結合（SOC）を有するエpitaxial Al-InAsヨセフソン接合における面内磁場の向きに伴う超伝導ダイオード効果（SDE）の依存性を調査すること。
• これらの接合におけるSDEの符号反転が、$0-\pi$遷移またはトポロジカル超伝導性と関連しているかどうかを特定すること。
• SDEの符号反転の起源が、SOC誘発臨界電流非対称性か、$0-\pi$-様の基底状態位相差ジャンプかを区別すること。
• 臨界電流最大値の磁場シフト$B_*$からラシバSOC強度を推定する手法を開発すること。

提案手法

• 超伝導幅$W_S$を0.15から1.0 $\mu$mに可変とする、分子線エpitaxial法で成長させたAl-InAsヘテロ構造上に平面型ヨセフソン接合を作製した。
• 電流方向に垂直に印加した面内磁場下で、非可逆的臨界電流$I_c^+$および$I_c^-$を測定した。
• ラシバSOCおよびゼーマン相互作用を組み込んだタイトバインディングシミュレーションを用いて、スーオーバーキャレントおよび基底状態位相差をモデル化した。
• 低磁場領域における臨界電流の振る舞いを解析的にモデル化し、SOC強度に関連する磁場シフト$B_*$の式を導出した。
• 実験的SDE符号反転を、シミュレーションによる$0-\pi$遷移および$qL = (2m+1)\pi/2$における基底状態位相差ジャンプと比較した。ここで$q$は有限運動量コープアー対の運動量である。
• 半導体領域外の磁場分布を考慮するため、ゼーマン場のスケーリングに$r_l = L/(2W_S + L)$を用いた。

Figure 1: [Color online] (a) A schematic of a junction of length $L$ , width $W$ and superconducting width of $W_{S}$ fabricated on the Al-InAs heterostructure. The superconducting contacts are made of Al and the quantum well (QW) consists of a layer of InAs grown between two layers of In 0.81 Ga 0.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Al-InAsヨセフソン接合における面内磁場下でのSDEの符号反転の原因は何か？
• RQ2 狭い接合（$W_S = 0.15\,\mu\text{m}$）における観測されたSDE符号反転は、$0-\pi$遷移またはトポロジカル超伝導性と関連しているか？
• RQ3 超伝導幅$W_S$は、SDE符号反転の背後にあるメカニズムにどのように影響するか？
• RQ4 臨界電流最大値の磁場シフト$B_*$から、ラシバスピンオービット結合強度を抽出できるか？
• RQ5 基底状態位相差$\phi_{GS}$は、SDEの挙動およびその符号反転を決定づける役割を果たすか？

主な発見

• 狭い接合（JJ2、$W_S = 0.15\,\mu\text{m}$）では、$B_y \approx \pm 0.35$ TでSDEの符号反転が観測されたが、$0-\pi$遷移やトポロジカル相転移とは明確な対応がなかった。
• 狭い接合におけるSDE符号反転は、磁場反転下でのSOC誘発臨界電流非対称性に起因し、その中心が磁場シフト$B_*$に位置する。
• 広い接合（JJ1、$W_S = 0.6\,\mu\text{m}$）では、より高い磁場領域におけるSDE符号反転が、$0-\pi$-様の基底状態位相差ジャンプと整合的であり、$B_y \approx \pm 0.6$ Tで予測された。
• 数値的シミュレーションにより、$B_y \approx 1$ Tにおける$0-\pi$遷移が$qL = (2m+1)\pi/2$に対応し、基底状態位相差ジャンプを示していることが確認された。
• 臨界電流最大値の測定された$B_*$シフトを用いて、ラシバSOC強度を推定した。その結果は、この系について既に報告された値と整合的であった。
• 時間反転対称性が回復する零磁場および$\Delta I_c = 0$となる特定の有限磁場でSDEが消えることが示された。

Figure 2: [Color online] Absolute value of the critical currents as a function of the in-plane magnetic field for samples JJ1 (left column) and JJ2 (right column). Top and bottom rows correspond to an in-plane magnetic field parallel and perpendicular to the current, respectively. The blue circles r