[논문 리뷰] Dynamical vortex transitions in a gate-tunable Josephson junction array

C. G. L. Bøttcher, Fabrizio Nichele외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 16.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 42인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 알루미늄/인간화갈륨 반도체 이종구조를 이용한 게이트 조절이 가능한 2차원 조지프슨 결합 배열에서의 동적 비틀림 전이를 조사한다. 여기서 게이트 전압은 조지프슨 결합과 비틀림 포획을 모두 조절한다. 연구자들은 플라켓당 정수 및 반정수 자기율량에서 초전도 상태에서 저항 상태로의 전류 유도 전이를 관찰하며, f=1 주변에서는 비대칭적이고 f=1/2에서는 대칭적인 행동를 보이며, 초전도 상태와 비정상 금속 상태에서의 비틀림 역학이 다름을 시사하고, Mott 전이 예측과 일치하지 않는 비보편적 스케일링 지수를 보인다.

ABSTRACT

We explore vortex dynamics in a two-dimensional Josephson junction array of micron-size superconducting islands fabricated from an epitaxial Al/InAs superconductor-semiconductor heterostructure, with a global top gate controlling Josephson coupling and vortex pinning strength. With applied dc current, minima of differential resistance undergo a transition, becoming local maxima at integer and half-integer flux quanta per plaquette, $f$. The zero-field transition from the superconducting phase is split, but unsplit for the anomalous metal phase, suggesting that pinned vortices are absent or sparse in the superconducting phase, and abundant but frozen in the anomalous metal. The onset of the transition is symmetric around $f=1/2$ but skewed around $f=1$, consistent with a picture of dilute vortices/antivortices on top of a checkerboard ($f = 1/2$) or uniform array of vortices ($f = 1$). Transitions show good scaling but with exponents that differ from Mott values obtained earlier. Besides the skewing at $f=1$, transitions show an overall even-odd pattern of skewing around integer $f$ values, which we attribute to vortex commensuration in the square array leading to symmetries around half-integer $f$.

연구 동기 및 목표

• 게이트 조절이 가능한 2차원 조지프슨 결합 배열에서의 동적 비틀림 전이를 조사한다. 이 배열은 조지프슨 결합 및 비틀림 포획을 모두 조절할 수 있다.
• 관측된 전이가 Mott 절연체 녹는 이론과 일치하는지, 특히 스케일링 행동과 지수 측면에서 확인한다.
• 비틀림 공명성과 격자 대칭성이 다양한 자기율량에서 저항 최소/최대값의 형태와 기울기를 어떻게 결정하는지 탐구한다.
• 초전도 상태(비틀림 없음)와 비정상 금속 상태(비틀림 정지) 사이의 비틀림 행동 차이를, 영자속 자기율량에서의 전이 구조를 통해 분석한다.

제안 방법

• 외향성 알루미늄/인간화갈륨 초전도체-반도체 이종구조를 이용해 마이크론 크기의 조지프슨 결합 배열을 제작한다.
• 전체적인 상단 게이트를 적용하여 조지프슨 결합 에너지(EJ)와 비틀림 포착 잠재력(EB)을 독립적으로 조절한다.
• 플라켓당 다양한 자기율량(f = Φ/Φ₀)에 따라 직류 전류를 인가한 상태에서 미분 저항(dV/dI)을 측정한다.
• 비틀림 전이 근처에서 미분 저항의 스케일링 분 析을 위해 log-log 도표를 사용하여 d/dI(dV/dI_s - dV/dI_s|_I=I₀) 대 1/b의 관계를 분석하고 임계 지수 ε를 추출한다.
• f=1/2 및 f=1에서 전이의 왼쪽 및 오른쪽 분지에 대해 별도로 분석하여 비대칭성을 고려하며, 분리경계 근처의 데이터를 필터링한다.
• 관측된 스케일링 지수를 Mott 전이 예측과 비교하고, 정수 f 값 주변에서의 짝수-홀수 기울기 패tern을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 게이트 전압은 2차원 초전도체-반도체 조지프슨 결합 배열에서 조지프슨 결합과 비틀림 포획을 어떻게 조절하는가?
• RQ2 f=1에서 전이가 강한 비대칭을 보이는 데 반해 f=1/2에서는 대칭적임에도 불구하고, 양자수의 비틀림 격자 공명성과 관련된 이유는 무엇인가?
• RQ3 비틀림 전이 근처에서 관측된 스케일링 지수는 Mott 전이 모델과 일치하는가, 아니면 다른 보편성 클래스를 시사하는가?
• RQ4 비틀림 공명성과 격자 기하학은 어떤 방식으로 정수 자기율량 주변에서 관측된 짝수-홀수 기울기 패턴을 만들어내는가?
• RQ5 초전도 상태(비틀림 없음)와 비정상 금속 상태(비틀림 정지)에서 비틀림 집합의 차이는 무엇인가?

주요 결과

• f=0에서 초전도 상태의 전이가 두 개의 최소값으로 분리되며, 비틀림 또는 반비틀림이 존재하지 않음을 시사한다. 이는 비틀림이 영자속에서 상쇄되는 BKT 전이와 일치한다.
• 비정상 금속 상태에서 f=0 전이는 여전히 분리되지 않으며, 영자속에서조차도 고정된 비틀림 또는 반비틀림이 존재함을 시사한다.
• f=1/2에서의 전이는 f=1/2를 중심으로 대칭적이며, 이는 체크무늬 비틀림 격자 구조와 반사 대칭성에 기인한다.
• f=1에서의 전이는 강하게 기울어져 있으며, 완전한 비틀림 격자에서 여유 비틀림이 쉽게 녹는 데 반해, 결핍 비틀림(반비틀림)은 분리가 어려운 것으로 나타나, 이질적인 비틀림 결합을 시사한다.
• 높은 정수 자기율량(f=2,3,4) 주변에서는 짝수-홀수 기울기 패턴이 관측되며, 이는 정수 f에서 비틀림 격자와의 공명성에 의해 대칭성이 깨지고, 반정수에서의 반사 대칭성이 발생함을 의미한다.
• 스케일링 분 析를 통해 Mott 전이 값과 다른 비보편적 지수를 도출하였으며, 이는 이 시스템에서의 비틀림 녹는 전이가 표준 Mott 절연체 모델을 따르지 않음을 시사한다. 이는 알루미늄 기반 배열에서의 더 약한 결합 잠재력 때문일 수 있다.