[論文レビュー] The gate-tunable Josephson diode

G. P. Mazur, N. van Loo+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、InSbナノワイヤベースのジョセフソン接合において、半導体的弱結合部およびプロキシミタイズドリードスの両方の静電的ゲート制御が、超伝導ダイオード効果（SDE）を完全に制御可能であることを示した。SDEはゲート電圧によって強く変調され、特定の垂直方向磁場角度で最大効率を示し、これはプロキシミタイズドリードス内のスピン・オービット場の方向と解釈される。また、面内磁場下でもSDEは維持され、超伝導量子回路における可変非再帰的臨界電流を実現する。

ABSTRACT

Superconducting diodes are a recently-discovered quantum analogueue of classical diodes. The superconducting diode effect relies on the breaking of both time-reversal and inversion symmetry. As a result, the critical current of a superconductor can become dependent on the direction of the applied current. The combination of these ingredients naturally occurs in proximitized semiconductors under a magnetic field, which is also predicted to give rise to exotic physics such as topological superconductivity. In this work, we use InSb nanowires proximitized by Al to investigate the superconducting diode effect. Through shadow-wall lithography, we create short Josephson junctions with gate control of both the semiconducting weak link as well as the proximitized leads. When the magnetic field is applied perpendicular to the nanowire axis, the superconducting diode effect depends on the out-of-plane angle. In particular, it is strongest along a specific angle, which we interpret as the direction of the spin-orbit field in the proximitized leads. Moreover, the electrostatic gates can be used to drastically alter this effect and even completely suppress it. Finally, we also observe a significant gate-tunable diode effect when the magnetic field is applied parallel to the nanowire axis. Due to the considerable degree of control via electrostatic gating, the semiconductor-superconductor hybrid Josephson diode emerges as a promising element for innovative superconducting circuits and computation devices.

研究の動機と目的

• 半導体-超伝導ハイブリッドジョセフソン接合における超伝導ダイオード効果（SDE）の静電的制御を実証すること。
• プロキシミタイズドリードス内の電子密度と半導体的弱結合部の寄与をSDEに分離すること。
• 垂直方向および面内磁場下におけるSDEの研究、特にゲート電圧による可変性の解明。
• デバイスをジョセフソンフィールド効果トランジスタおよび量子回路応用のための可変超伝導ダイオードとして確立すること。
• ゲート依存測定を用いてSDEの微視的起源を解明し、有限運動量を有するアンドレーエフ束縁状態と関連付けること。

提案手法

• 短いInSb/Alジョセフソン接合の作製にシャドウウォールリソグラフィーを用い、半導体的弱結合部およびプロキシミタイズドリードスに二重静電的ゲートを設ける。
• 時間反転および逆転対称性を破るために、ナノワイヤ軸に対して垂直および平行な磁場を印けることでSDEを有効化する。
• 逆方向電流極性下でのスイッチング電流測定により非再帰性を定量し、ダイオード効率を抽出する。
• ゲート電圧を用いて弱結合部およびリードス内の電子密度を独立して調整し、SDEへの影響を体系的に調査する。
• 電流-位相差関係およびSDEの角度依存性の解析により、スピン・オービット場の方向の役割とアンドレーエフ束縁状態物理学の寄与を推定する。
• スピン・オービット結合系における有限運動量を有するクーパー対およびアンドレーエフ束縁状態によるSDE予測を理論モデルと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半導体的弱結合部およびプロキシミタイズドリードスの静電的ゲート制御が、超伝導ダイオード効果の大きさおよび方向性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 スピン・オービット場の方向がSDEの角度依存性を決定づける役割を果たすか、ゲート電圧による調整が可能か？
• RQ3 磁場をナノワイヤ軸に平行に印じた場合でもSDEは維持されるか？ゲート制御による変調はどのように行われるか？
• RQ4 観測されたSDEは有限運動量を有するアンドレーエフ束縁状態に起因するとみなせるか？ギンツブルグ＝ランダウ理論や他の理論枠組みと比較するとどうなるか？
• RQ5 このデバイスは、量子回路応用においてジョセフソンフィールド効果トランジスタおよび可変超伝導ダイオードとして、どの程度の性能を示せるか？

主な発見

• 超伝導ダイオード効果は静電的ゲートにより強く可変可能であり、特定の垂直方向磁場角度で最大効率を示す。この角度は、プロキシミタイズドリードス内のスピン・オービット場の方向と解釈される。
• プロキシミタイズドリードス内の高い電子密度は、SDEの最適角度を固定するが、半導体的弱結合部のゲート電圧を変化させることでこの角度がシフトすることから、コンfinementおよびSOIのゲート制御が可能であることが示された。
• SDEは面内磁場下でも維持され、磁場が電流の流れと平行であっても非再帰的臨界電流が観測され、デバイスの動作領域が拡張された。
• スイッチング電流およびSDE効率は、ゲートで調整可能な透過率およびモード数に比例しており、アンドレーエフ束縁状態スペクトルに対する強い静電的制御が示された。
• 位相差関係における位相シフト（コンfinementまたはゼーマン分裂に起因する可能性あり）が、SDE極性の符号変化と関連しており、理論的予測と整合的である。
• デバイスはジョセフソンフィールド効果トランジスタとして機能し、ゲートで調整可能なスイッチング電流を実現しており、超伝導量子エレクトロニクスのための多様な構築ブロックとしての可能性を有する。