[논문 리뷰] Emergent Interfacial Superconductivity between Twisted Cuprate Superconductors

Sai Zhao, Nicola Poccia외 12명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 30.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 16인용 수 43

한 줄 요약

본 연구는 원자적으로 날카로운 Bi2Sr2CaCu2O8+x 계면이 비틀림 각도에 따라 결합이 달라지는 조셉슨 접합을 형성하는 것을 보여주며, d-웨이브 페어링 특성 및 45도 근방에서의 등장하는 동시 터널링 초전도 현상과 부분적 샤피로 스텝을 드러낸다.

ABSTRACT

Twisted interfaces between stacked van der Waals cuprate crystals enable tunable Josephson coupling between in-plane anisotropic superconducting order parameters. Employing a novel cryogenic assembly technique, we fabricate Josephson junctions with an atomically sharp twisted interface between Bi2Sr2CaCu2O8+x crystals. The Josephson critical current density sensitively depends on the twist angle, reaching the maximum value comparable to that of the intrinsic junctions at small twisting angles, and is suppressed by almost 2 orders of magnitude yet remains finite close to 45 degree twist angle. Through the observation of fractional Shapiro steps and the analysis of Fraunhofer patterns we show that the remaining superconducting coherence near 45 degree is due to the co-tunneling of Cooper pairs, a necessary ingredient for high-temperature topological superconductivity.

연구 동기 및 목표

• Bi2Sr2CaCu2O8+x 층 사이의 비틀림이 계면 조셉슨 결합을 어떻게 제어하는가를 조사한다.
• 비틀린 구프타 계열 초전도체 인터페이스를 가로질러 페어링 대칭성과 전류-위상 관계를 조사한다.
• 계면 초전도성을 보존한 고품질의 극저온 무용매 건식으로 비틀림 조셉슨 접합을 제조하는 것을 시연한다.
• 45도 근방에서의 공동 터널링 표지와 잠재적 위상적 초전도 상태의 징후를 탐구한다.

제안 방법

• 원자적으로 날카로운 비틀림 BSCCO 계면을 아르곤 환경에서 냉각식의 전부 건식 vdW 전달 기법을 사용하여 제작한다.
• 네 단자 I-V 특성을 측정하고 J_C 및 R_N을 추출하여 각도에 따른 I_C R_N를 얻는다.
• 평면 내 자기장 하에서 Fraunhofer 패턴을 분석하여 유효 두께와 2차 고조파 CPR 시그니처를 추론한다.
• 마이크로파 유도 Shapiro 스텝 측정을 수행하여 정수 및 반정수 스텝과 그것들의 전류-위상 관계와의 관계를 식별한다.
• I_C R_N의 각도 의존성을 d-파형 초전도체의 이론적 기대치(cos(2θ) 행동)와 비교한다.
• 교차 단면 STEM/AFM을 사용하여 계면 품질과 구조적 완전성을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BSCCO 층 사이의 비틀림 각도 θ가 계면을 가로질러 조셉슨 임계전류 밀도 J_C를 어떻게 조절하는가?
• RQ2 비틀린 구프타 인터페이스가 조셉슨 전도 및 Fraunhofer 패턴에서 d-웨이브 페어링 시그니처를 보이는가?
• RQ3 Cooper 쌍의 공동 터널링과 θ ≈ 45° 부근의 emergent 차수 매개변수의 징거가 있는가?
• RQ4 45도 비틀림에서의 Shapiro 스텝 시그니처와 전류-위상 관계는 어떠한가?
• RQ5 냉각식 건식 조립 조건에서 계면이 높은 Tc 초전도성과 순수한 계면 구조를 유지할 수 있는가?

주요 결과

• J_C R_N은 각도 의존성 ~ |cos(2θ̃)|를 따르며, d-웨이브 초전도체 간 비상관 터널링과 일치한다.
• θ̃ ≈ π/4(45°) 근처에서 J_C는 유한하지만 크게 억제되며, 동시 터널링으로 인한 유효 두께 증가를 시사하는 Fraunhofer 패턴이 나타난다.
• 45° 근처 Fraunhofer 측정은 더 짧은 진동 주기를 보이며, 이는 유효 두께의 증가 또는 고차 전류 성분에 대응한다.
• 45°에서 약 1° 이내의 비틀림 각도에서 반정수 Shapiro 스텝이 나타나며, 전류-위상 관계에서 2차 고조파가 지배적임을 시사한다.
• 각도가 45° 부근일 때 온도 T_M에서 최대치를 보이는 비단조적 I_C R_N(T)의 징거가 있으며, 이는 d-웨이브 SOP에 의한 노달/안티노달 기여의 경쟁을 뒷받침한다.
• θ = 0°에서의 조셉슨 결합은 intrinsic BSCCO 접합과 비슷한 J_C를 달성해 인터페이스 품질이 intrinsic 접합과 비교 가능함을 보인다.