[논문 리뷰] A Josephson junction supercurrent diode

Christian Baumgärtner, Lorenz Fuchs외 11명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 11.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 44인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 InAs 양자우물에 제작된 완전한 초전도성 조지프슨 접합에서 강한 스핀-오비트 결합과 평면 내 자기장에 의해 반전 대칭성과 시간 역행 대칭성이 모두 깨지는 조건에서 초전류 다이오드 효과를 실험적으로 입증한다. 주요 결과는 초전류의 비상성 흐름이 관측되었으며, 조지프슨 인덕턴스 측정과 준정량적 이론 모델에 의해 확인된 양자화된 초전류 자기장비대성 계수 $\gamma_L$를 제공한다.

ABSTRACT

Transport is called nonreciprocal when not only the sign, but also the absolute value of the current, depends on the polarity of the applied voltage. It requires simultaneously broken inversion and time-reversal symmetries, e.g., by the interplay of spin-orbit coupling and magnetic field. So far, observation of nonreciprocity was always tied to resistivity, and dissipationless nonreciprocal circuit elements were elusive. Here, we engineer fully superconducting nonreciprocal devices based on highly-transparent Josephson junctions fabricated on InAs quantum wells. We demonstrate supercurrent rectification far below the transition temperature. By measuring Josephson inductance, we can link nonreciprocal supercurrent to the asymmetry of the current-phase relation, and directly derive the supercurrent magnetochiral anisotropy coefficient for the first time. A semi-quantitative model well explains the main features of our experimental data. Nonreciprocal Josephson junctions have the potential to become for superconducting circuits what $pn$-junctions are for traditional electronics, opening the way to novel nondissipative circuit elements.

연구 동기 및 목표

• 완전히 초전도성 플랫폼에서 소모가 없는 비상성 초전류 장치를 실현하기 위해.
• 초전도 전이 온도 이하에서 초전류 정류 현상을 입증하기 위해.
• 초전류 자기장비대성 계수 $\gamma_L$를 실험적으로 측정하고 정량화하기 위해.
• 조지프슨 인덕턴스를 통해 비상성 초전류와 전류-위상 관계의 비대칭성 간의 연관성을 확립하기 위해.
• 관측된 비상성 행동을 재현하는 준정량적 이론 모델을 개발하기 위해.

제안 방법

• 2250개의 아일랜드 배열 기하구조를 가진 InAs 양자우물에 고투과성 조지프슨 접합을 제작한다.
• 라슈바 스핀-오비트 결합과의 상호작용을 통해 평면 내 자기장을 적용하여 시간 역행 대칭성과 반전 대칭성을 깨뜨린다.
• 전류 및 자기장 방향에 따라 조지프슨 인덕턴스 $L(I)$ 를 측정하여 전류-위상 관계의 비대칭성을 탐구한다.
• L(I) 를 제2차까지 전개하여 $-2L_0' / (L_0 B_{\mathrm{ip}}) = \gamma_L \sin\theta$ 를 통해 초전류 자기장비대성 계수 $\gamma_L$ 를 추출한다.
• 유한한 크기 효과와 $\hat{z}$ 방향의 구속 위치 에너지함수를 포함한 Kwant 기반 수치 시뮬레이션을 통해 접합을 모델링한다.
• 실험적 $L(I)$ 곡선과 이론 예측을 비교하여 비상성의 기원을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소모가 없는 비상성 초전류 흐름이 완전히 초전도성 장치에서 달성될 수 있는가?
• RQ2 초전도 상태에서 초전류 자기장비대성 계수 $\gamma_L$ 의 크기와 기원은 무엇인가?
• RQ3 전류-위상 관계의 비대칭성은 조지프슨 인덕턴스 측정에서 어떻게 나타나는가?
• RQ4 에너지 척도가 다를 뿐만 아니라, 초전도 상태에서 자기장비대성의 크기가 $T_c$ 근처에서 저항성 운반에서 관측되는 것과 유사한 이유는 무엇인가?
• RQ5 3차원 구속 위치 에너지가 관측된 비상성 행동을 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 초전류 다이오드 효과는 $T_c$ 이하의 온도에서 실험적으로 관측되어 소모가 없는 비상성 초전류 흐름을 입증한다.
• 초전류 자기장비대성 계수 $\gamma_L$ 는 조지프슨 인덕턴스 측정을 통해 처음으로 직접 추출되었다.
• 평면 내 자기장이 $\hat{y}$ 방향으로 가해질 경우 조지프슨 인덕턴스 $L(I)$ 는 영전류 부근에서 명백한 비대칭을 보이며, 이는 비상성 초전류를 확인한다.
• 유한한 구속 위치 에너지 $V_{\mathrm{conf}}$ 를 포함한 이론적 모델링이 실험적 $L(I)$ 경향을 재현하는 데 필수적이며, $\theta$ 가 증가함에 따라 $L_0$ 가 감소하는 경향도 재현한다.
• $\gamma_L$ 의 크기는 $T_c$ 근처에서의 저항성 자기장비대성 계수 $\gamma_S$ 와 유사한 크기임을 발견하여, 스핀-오비트 결합 외에 비선형적 상호작용이 존재할 가능성을 시사한다.
• 관측된 비상성은 라슈바 스핀-오비트 결합과 평면 내 자기장 간의 상호작용에 의해 유도된 전류-위상 관계의 $\varphi_0$-이동과 관련이 있다.