[論文レビュー] Tunable Josephson diode effect on the surface of topological insulators

Bo Lu, Satoshi Ikegaya+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2022

Topological Materials and Phenomena参考文献 34被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、トポロジカル絶縁体の表面に形成された2次元超伝導体-正孔金属-超伝導体（SNS）ジャンクションにおいて、調整可能なジョセフソンダイオード効果を提案する。面内磁場、ゲート電圧、およびジャンクション長を用いることで、非可逆的スーパーカラーフローの方向性を測る品質因子Qを、その大きさおよび符号の両方で電気的に調整可能であり、スケーラブルな超伝導デバイスにおける完全な制御を可能にする。

ABSTRACT

The Josephson rectification effect, where the resistance is finite in one direction while zero in the other, has been recently realized experimentally. The resulting Josephson diode has many potential applications on superconducting devices, including quantum computers. Here, we theoretically show that a superconductor-normal metal-superconductor Josephson junction diode on the two-dimensional surface of a topological insulator has large tunability. The magnitude and sign of the diode quality factor strongly depend on the external magnetic field, gate voltage, and the length of the junction. Such rich properties stem from the interplay between different current-phase relations for the multiple transverse transport channels, and can be used for designing realistic superconducting diode devices.

研究の動機と目的

• 既存のジョセフソンダイオード系における調整性の欠如、特に長尺および2次元ジャンクションにおいての課題を解決すること。
• 磁場、ゲート電圧、ジャンクション長といった外部パラメータが、トポロジカル絶縁体表面におけるジョセフソンダイオード効果に与える影響を調査すること。
• 品質因子Qが大きさおよび符号の両方で調整可能であり、非可逆的スーパーカラーフローの逆転制御が可能であることを示すこと。
• 複数の横方向輸送チャネルおよびそれらの電流-位相差関係が、2次元SNSジャンクションにおける調整可能なダイオード動作を可能にする役割を調査すること。

提案手法

• 3次元トポロジカル絶縁体の2次元表面に、長さLを調整可能な正孔領域を有する平面状SNSジョセフソンジャンクションをモデル化する。
• 反転対称性および時間反転対称性を破るために、y方向に面内ゼーマン場を印加し、非可逆的ジョセフソン電流を誘導する。
• 正孔領域内の薄い障壁に可変ゲート電圧V_Gを印けることで、異なる横方向輸送チャネルの透過率を制御する。
• 複数チャネル散乱アプローチを用い、複数の横方向モードに起因する位相差依存寄与を考慮して、全ジョセフソン電流を計算する。
• 品質因子Q = (J_c^+ - J_c^-)/(J_c^+ + J_c^-) を導出し、ダイオード性能を定量化し、磁場、V_G、およびジャンクション長に依存する挙動を分析する。
• 特にポテンシャル障壁下での通常入射（クライントンネル）モードと斜め入射モードの間の相互作用を含め、複数チャネルにおける電流-位相差関係を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元SNSジャンクションにおけるトポロジカル絶縁体表面のジョセフソンダイオード効果は、品質因子Qの大きさおよび符号の両方を、外部の電場によって電気的に調整可能か？
• RQ2 磁場およびゲート電圧を変化させた場合、短尺（short）と長尺（long）のジャンクションにおいて、ダイオード効果の調整性および符号反転がどのように異なるか？
• RQ3 異なる電流-位相差関係を有する複数の横方向輸送チャネルが、調整可能な非可逆的スーパーカラーフローを可能にする役割は何か？
• RQ4 長尺ジャンクションではゲート電圧が増加するにつれてQの符号が反転するが、短尺ジャンクションでは反転しないのはなぜか？その背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ5 磁性ドーピングを用いることで外部磁場なしにダイオード効果を制御可能か？また、これと磁場誘起ゼーマン分裂を比較するとどうなるか？

主な発見

• 外部の面内磁場（y方向）を調整することにより、ジョセフソンダイオードの品質因子Qを、その大きさおよび符号の両方で電気的に調整可能である。
• 長尺ジャンクション（L/ξ₀ = 2）では、ゼーマン場m_yの増加に伴い、Qが複数回符号反転を示し、豊富で調整可能な非可逆的応答を示す。
• ゲート電圧V_Gを印けると、Qの大きさが増加し、十分に強い磁場（例：m_y = 1.5Δ₀）下では、特に長尺ジャンクションでQの符号変化が可能になる。
• 短尺ジャンクション（L/ξ₀ = 0.01）では、|V_G|を増加させてもQの符号反転は観察されず、複雑なダイオード動作を可能にするためのジャンクション長の重要性が明確になる。
• 長尺ジャンクションにおけるQの符号反転は、複数の横方向チャネルとそれらの位相差依存電流寄与の相互作用に起因し、特にポテンシャル障壁下で顕著に現れる。
• ゲート電圧による電気的調整が可能であるため、本系は、電流方向を切り替え可能なすべての機能を統合した超伝導整流器の実現に有望なプラットフォームである。