[논문 리뷰] Diode effect in Josephson junctions with a single magnetic atom

Martina Trahms, Larissa Melischek외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 08.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 스캐닝 턨널링 현미경에서 형성된 Pb–Pb 조지프슨 접합에 단일 자기 원자를 삽입하여 원자 척도의 초전도 다이오드를 구현한다. 스핀 분류된 Yu-Shiba-Rusinov 상태를 통한 준입자 전류로 인해 비상호성 초전류가 발생하며, 이 다이오드 효과의 크기와 방향은 원자 종류에 의해 조절 가능하여, 완전히 조절 가능한 플랫폼에서 비상호성 초전류를 단일 원자 수준에서 제어할 수 있다.

ABSTRACT

Current flow in electronic devices can be asymmetric with bias direction, a phenomenon underlying the utility of diodes and known as non-reciprocal charge transport. The promise of dissipationless electronics has recently stimulated the quest for superconducting diodes, and non-reciprocal superconducting devices have been realized in various non-centrosymmetric systems. Probing the ultimate limits of miniaturization, we have created atomic-scale Pb--Pb Josephson junctions in a scanning tunneling microscope. Pristine junctions stabilized by a single Pb atom exhibit hysteretic behavior, confirming the high quality of the junctions, but no asymmetry between the bias directions. Non-reciprocal supercurrents emerge when inserting a single magnetic atom into the junction, with the preferred direction depending on the atomic species. Aided by theoretical modelling, we trace the non-reciprocity to quasiparticle currents flowing via Yu-Shiba-Rusinov (YSR) states inside the superconducting energy gap. Our results open new avenues for creating atomic-scale Josephson diodes and tuning their properties through single-atom manipulation.

연구 동기 및 목표

• 외부 자기장 없이 원자 척도 조지프슨 접합에서 비상호성 초전류를 실현하기 위해.
• 단일 자기 원자가 초전도 회로에서 대칭성 파괴와 다이오드 유사 행동을 유도하는 역할을 연구하기 위해.
• 원자 척도에서 초전류 운반의 비상호성의 미세 구조 기원을 규명하기 위해.
• 단일 원자 조작과 자기 불순자 원소의 선택을 통해 다이오드 효과의 가변성을 증명하기 위해.
• 원자 정밀도로 초전도 나노구조에서 준입자 운반 메커니즘을 탐구할 수 있는 시험 플랫폼을 제공하기 위해.

제안 방법

• 초전도성 스캐닝 터널링 현미경(STM) 헤드를 사용하여 Pb(111) 표면에 원자 척도의 Pb–Pb 조지프슨 접합을 제작하였다.
• STM 기반 조작을 통해 접합에 단일 자기 원자(Pb, Cr, Mn)를 삽입하여 단일 원자 접합을 형성하였다.
• 히스테리시스 스위칭 및 재포착 전류를 관측하기 위해 전류 보상 $V-I$ 측정을 수행하여 비상호성 행동을 확인하였다.
• 현상학적 모델(식 6)을 사용하여 피팅하고 조지프슨 피크를 빼내어 전압 보상 $I-V$ 트레이스에서 준입자 전류 $I_{\textrm{qp}}(V)$를 추출하였다.
• 저항성 병렬 회로 모델(RSJ 모델, 식 4)을 사용하여 $V-I$ 곡선을 시뮬레이션하고 비대칭의 기원을 분석하였다.
• 비대칭 전류-위상 관계(식 5)를 시뮬레이션하여 경쟁 메커니즘을 테스트하고 실험적 히스토그램과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 자기장 없이 단일 자기 원자를 삽입함으로써 조지프슨 접합에서 비상호성 초전류를 유도할 수 있는가?
• RQ2 원자 척도 초전도 접합에서 관측된 다이오드 효과의 미세 구조 기원은 무엇인가?
• RQ3 Cr과 Mn과 같은 자기 불순자 원소의 선택이 비상호성 전류의 크기와 방향에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 스위칭 및 재포착 전류의 관측된 비대칭성은 비대칭 전류-위상 관계에 기인한 것인가, 아니면 소산성 준입자 전류에 기인한 것인가?
• RQ5 단일 원자 조작을 통해 초전도 나노구조에서 다이오드 행동을 조절하고 제어할 수 있는가?

주요 결과

• Pb–Pb 조지프슨 접합에 단일 자기 원자(Cr 또는 Mn)를 삽입하면 강한 비상호성 초전류가 유도되며, 순수한 Pb 접합에서는 대칭성이 없음을 확인하였다.
• 다이오드 효과는 이론적 모델링을 통해 초전도 갭 내부의 스핀 분류된 Yu-Shiba-Rusinov(YSR) 상태를 통한 준입자 전류에 기인함을 확인하였다.
• 다이오드 효과의 부호와 크기는 자기 불순자 원소의 선택에 의해 조절 가능하며, Mn 접합은 Cr 접합과 반대 방향의 선호 전류를 보였다.
• 스위칭 및 재포착 전류의 실험적 히스토그램은 재포착 전류에서 강한 비대칭성과 스위칭 전류에서 약한 비대칭성을 보였으며, 이는 비대칭 전류-위상 관계와 대칭적인 준입자 전류를 가정할 때에만 재현 가능하였다.
• 준입자 전류 $I_{\textrm{qp}}(V)$는 피팅 모델(식 6)을 사용하여 $I-V$ 데이터에서 추출되었으며, Pb, Cr, Mn 접합에 대한 피팅 매개변수를 제공하였다.
• 이론적 시뮬레이션을 통해 비대칭 전류-위상 관계가 관측된 비대칭의 기원임을 배제하였으며, YSR 상태를 통한 소산성 준입자 운반 전류가 주요 기여 메커니즘이라고 확인하였다.