[論文レビュー] Ubiquitous Superconducting Diode Effect in Superconductor Thin Films

Yasen Hou, Fabrizio Nichele+14 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、ニオブやバナジウムなどの従来型超伝導体薄膜において、わずかな外部磁場（1 Oeまで）を用いることで、広く見られる超伝導ダイオード効果を実証している。非対称なヴォルテックス界面／表面障壁を設計し、普遍的なマイスナー遮蔽電流を活用することで、臨界超電流における強い非再帰性を達成した。特に、EuSと界面を形成した場合、65%の効率を示す非揮発性のダイオード効果を実現し、多様な系に共通するこの効果の根本的メカニズムを明らかにした。

ABSTRACT

The macroscopic coherence in superconductors supports dissipationless supercurrents which could play a central role in emerging quantum technologies. Accomplishing unequal supercurrents in the forward and backward directions would enable unprecedented functionalities. This nonreciprocity of critical supercurrents is called superconducting (SC) diode effect. We demonstrate strong SC diode effect in conventional SC thin films, such as niobium and vanadium, employing external magnetic fields as small as 1 Oe. Interfacing the SC layer with a ferromagnetic semiconductor EuS, we further accomplish non-volatile SC diode effect reaching a giant efficiency of 65%. By careful control experiments and theoretical modeling, we demonstrate that the critical supercurrent nonreciprocity in SC thin films could be easily accomplished with asymmetrical vortex edge/surface barriers and the universal Meissner screening current governing the critical currents. Our engineering of the SC diode effect in simple systems opens door for novel technologies. Meanwhile, we reveal the ubiquity of Meissner screening effect induced SC diode effect in superconducting films, which should be eliminated with great care in the search of exotic superconducting states harboring finite-momentum Cooper pairing.

研究の動機と目的

• 超伝導ダイオード効果がレア材料に限られるのではなく、従来型超伝導体薄膜においても広く見られることを示すこと。
• マイスナー遮蔽電流と非対称なヴォルテックス障壁が、臨界超電流の非再帰性を引き起こす普遍的役割を特定すること。
• 鉄磁性半導体界面（例：EuS）を用いて、実用的デバイス応用を想定した非揮発性超伝導ダイオード効果を達成すること。
• 有限運動量を有するコープァー対形成を探索する実験において、マイスナー効果に起因するダイオード効果が慎重に考慮されなければならないことの明確化。

提案手法

• ニオブやバナジウムなどの従来型超伝導体薄膜（例：Nb, V）に、1 Oeにまで低減可能な外部磁場を印加し、非対称なヴォルテックス浸透および界面／表面障壁を誘導する。
• 鉄磁性半導体EuSを用いて、界面に起因するスピン分離および逆性の破れを引き起こし、非揮発性超伝導ダイオード効果を実現する。
• マイスナー遮蔽電流の役割を他の可能性のあるメカニズムから分離するための制御実験を実施する。
• ギンツブルグ＝ランダウ理論に基づく理論的モデリングとヴォルテックスダイナミクスを用いて、観測された非再帰性の臨界電流を説明する。
• 臨界電流非対称性（Ic+ と Ic−）を、磁場と温度の変化に応じて測定し、ダイオード効率を定量する。
• 膜厚さと界面品質を系統的に変化させることで、異なる超伝導体材料においてもこの効果が普遍的であることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニオブやバナジウムのような従来型、非レア超伝導体薄膜においても、超伝導ダイオード効果が観測可能か？
• RQ2 マイスナー遮蔽電流は、超伝導体薄膜における臨界電流非再帰性を生成する上で果たす役割は何か？
• RQ3 鉄磁性半導体ヘテロ構造を用いることで、ダイオード効果を非揮発的に可能にすることができるか？
• RQ4 有限運動量を有するコープァー対形成を探索する実験において、マイスナー遮蔽効果はどの程度の混同要因となるか？

主な発見

• 外部磁場が1 Oeにまで低減された状態でも、従来型超伝導体薄膜（Nb, V）において超伝導ダイオード効果が強く観測された。
• 臨界電流非再帰性は、普遍的なマイスナー遮蔽電流と非対称なヴォルテックス界面／表面障壁によって支配されており、その広がりを説明する。
• 鉄磁性半導体（EuS）と界面を形成することで、記録的な65%の効率を示す非揮発性超伝導ダイオード効果が達成された。
• 制御実験により、観測されたダイオード効果が不純物や不均一性といった外的要因によるものではなく、ヴォルテックスおよび遮蔽ダイナミクスに起因するものであることが確認された。
• 理論的モデリングにより、マイスナー遮蔽電流が観測された臨界電流非再帰性の主因であることが裏付けられた。
• 本研究の結果から、今後の実験的探索において、マイスナー効果に起因するダイオード効果とレアな超伝導状態とを明確に区別する必要があることが示唆された。