[論文レビュー] Superconducting diode from flux biased Josephson junction arrays

Rafael Haenel, Oguzhan Can|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、フラックスバイアス回路における標準的な正弦波ジョセフソン接合を用いて、直列接続された接合が有効な高次調波を生成することで逆転対称性を破る、超伝導ダイオード効果を提案する。最適化された構成では、特異な材料や非正弦波接合を必要とせず、最大67%の効率（η = 2/3）を達成でき、産業用超伝導回路へのスケーラブルな統合を可能にする。

ABSTRACT

We propose a realization of the superconducting diode effect in flux biased superconducting circuits of Josephson junctions. So far the observation of the superconducting diode effect has been limited to rather exotic material platforms. In theoretical proposals, it relied on a non-sinusoidal form of the current phase relation of Josephson junctions. Here, we show how the diode effect can be engineered in superconducting circuits without any such requirements. The only necessary ingredients are standard sinusoidal Josephson junctions and flux bias lines that are readily available in scalable industrial silicon-chip based superconducting design processes.

研究の動機と目的

• スケーラブルで産業的・実用的適合性を持つ超伝導回路プラットフォーム上で超伝導ダイオード効果を実現すること。
• ジョセフソン接合に特異な材料プラットフォームや非正弦波的電流・位相差関係を必要としないこと。
• 材料の複雑さではなく、回路の幾何構造とフラックスバイアスによって逆転対称性の破壊を設計すること。
• 複数のアームを持つ一般化されたSNAIL（超伝導非線形非対称誘導素）構造において、ダイオード効率を最適化すること。
• 寄生的幾何インダクタンスがダイオード性能および効率に与える影響を評価すること。

提案手法

• N本のアームを持つ超伝導回路を設計し、各アームに正弦波的電流・位相差関係を有する同一のジョセフソン接合を直列に配置する。
• 隣接するアーム間のループに貫通するフラックスバイアスラインを用いて、ジョセフソン接合に位相差を誘導する。
• ループ全体の位相量子化条件を活用し、直列接続された接合によって有効な高次調波（例：sin(2φ), sin(3φ)）を生成する。
• 全電流をジョセフソン電流の和としてモデル化する：I(φ) = I_c^(1)sin(φ₁) + I_c^(2)sin(2φ₁ - φ_ext)，ここでφ_ext = 2πΦ_ext/Φ₀。
• ダイオード効率η = (I_c⁺ - I_c⁻)/(I_c⁺ + I_c⁻) を最大化するために、フラックスバイアスφ_k,extおよび接合パラメータを最適化する。
• 幾何インダクタンス（L_k）を自己無撞着に組み込み、理想挙動からのずれや効率損失を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的な正弦波ジョセフソン接合とフラックスバイアスを用いた回路で、超伝導ダイオード効果を実現できるか？
• RQ2 非正弦波接合を用いずに、電流・位相差関係における有効な高次調波をどのように生成できるか？
• RQ3 多アームSNAIL幾何構造において、ダイオード効率を最大化する最適なフラックスバイアスおよび接合パラメータは何か？
• RQ4 幾何インダクタンスは、現実的な回路におけるダイオード効率および電流・位相差関係にどのように影響を与えるか？
• RQ5 すべての外部フラックスの符号を反転させることで、ダイオードの極性を反転させることができるか？

主な発見

• フラックスバイアスと直列接続を活用することで、標準的な正弦波ジョセフソン接合を用いた回路で超伝導ダイオード効果が実現された。
• N=2の場合、最大でη = 1/3 ≈ 33.3%のダイオード効率が達成可能であり、N=5では最適パラメータでη = 2/3 ≈ 66.7%に向上する。
• 幾何インダクタンスが増加するにつれてダイオード効率は低下し、特にNが大きい場合、電流・位相差関係の歪みにより顕著な低下が生じる。
• すべての外部フラックスバイアスの符号を反転させることで、ダイオードの極性を反転させることができ、再設定可能なダイオード動作が可能となる。
• 提案された設計は、産業用Nb-Alプロセスおよびスケーラブルなシリコンチップフォーマットと適合可能であり、実用的統合が可能である。
• N=5の場合、最適な構成には137個のジョセフソン接合が必要であり、アーム間のフラックスはΦ_{k,k+1}/Φ₀ = 7.5, 5/2, 5/4, 3/4, 1/2に設定することでη = 2/3を達成できる。