[논문 리뷰] Evidence of $ϕ$0-Josephson junction from skewed diffraction patterns in Sn-InSb nanowires

B. Zhang, Zupeng Li외 11명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 01.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 스핀-오비트 결합과 고차 조화성분에 기인한 비대칭적 임계전류 회절 패턴을 통해 Sn-InSb 나노와이어 헤테로구조에서 $φ_0$-조지프슨 접합의 실험적 증거를 제시한다. 이 비대칭성은 최대 40 mT까지 관측되며, 현상학적 모델링과 타이트-binding 시뮬레이션을 통해 확인되었으며, 위상수학적 초전도체 및 양자 회로 설계에 관련된 비대칭적 전류-위상 관계를 시사한다.

ABSTRACT

We study Josephson junctions based on InSb nanowires with Sn shells. We observe skewed critical current diffraction patterns: the maxima in forward and reverse current bias are at different magnetic flux, with a displacement of 20-40 mT. The skew is greatest when the external field is nearly perpendicular to the nanowire, in the substrate plane. This orientation suggests that spin-orbit interaction plays a role. We develop a phenomenological model and perform tight-binding calculations, both methods reproducing the essential features of the experiment. The effect modeled is the $ϕ$0-Josephson junction with higher-order Josephson harmonics. The system is of interest for Majorana studies: the effects are either precursor to or concomitant with topological superconductivity. Current-phase relations that lack inversion symmetry can also be used to design quantum circuits with engineered nonlinearity.

연구 동기 및 목표

• InSb 나노와이어에 Sn 셸을 코팅한 시스템에서 $φ_0$-조지프슨 접합 상태를 탐지하여 위상수학적 초전도성의 핵심 징후를 확인한다.
• SQUID 기반 측정에서 게이트 유도된 플럭스 이동과 $φ_0$-이동 효과를 분리하는 데 발생하는 실험적 과제를 해결한다.
• 임계전류 대 외부 자기장의 기울어진 회절 패턴이 비사인형 및 비대칭 전류-위상 관계를 탐지하는 강력한 수단임을 보여준다.
• 관측된 기울기와 나노와이어 시스템 내 스핀-오비트 상호작용 간의 연관성을 설정한다.
• 고차 조지프슨 조화성분이 위상 이동과 비대칭 임계전류 반응의 근본 원인임을 검증한다.

제안 방법

• 입자 자기장이 작용하는 조건에서 Sn-InSb 나노와이어 조지프슨 접합의 임계전류 회절 패턴을 측정한다.
• 첫 번째 및 두 번째 조화성분 기여를 포함한 $φ_0$-이동된 사인형 전류-위상 관계를 수반한 현상학적 모델을 사용한다.
• 외부 자기장 하에서 조지프슨 전류와 전류-위상 관계를 시뮬레이션하기 위해 타이트-binding 전자 구조 계산을 수행한다.
• 모의된 전류-위상 관계를 푸리에 전개하여 사인 및余弦 조화성분의 진폭을 추출하고, 비영인 위상 이동을 확인한다.
• 화학적 피드백을 조절하기 위해 게이트 전압을 체계적으로 변화시켜 스케일 계수 $γ$ 에 미치는 영향을 탐색한다.
• 1.1 K까지의 온도 의존 측정을 통해 열분포에 의한 영향 없이 기울기 효과가 유지되는지 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기울어진 임계전류 회절 패턴이 하이브리드 초전도체-반도체 나노와이어에서 $φ_0$-조지프슨 접합의 신뢰할 수 있는 징후로 기능할 수 있는가?
• RQ2 관측된 회절 패턴의 기울기는 어떤 원인에서 비롯되며, 자기장 방향과 강도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 고차 조지프슨 조화성분과 스핀-오비트 결합은 비대칭 전류-위상 관계에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 게이트 전압은 시스템의 반응을 어떻게 조절하며, 이를 통해 외부 플럭스 이동과는 독립된 내재된 $φ_0$-이동 효과를 분리할 수 있는가?
• RQ5 관측된 $φ_0$-유사 거동이 타이트-binding 모델과 CPR의 푸리에 분해에 기반한 이론적 예측과 일치하는가?

주요 결과

• 전류 방향 전환에 따른 정점 간 최대 이격 거리가 40 mT에 이르는 기울어진 패턴이 관측되어 비대칭 전류-위상 관계가 존재함을 시사한다.
• 자기장이 나노와이어에 수직인 평면에 있을 때 기울기가 최대가 되어 스핀-오비트 결합의 강력한 기여를 시사한다.
• 타이트-binding 시뮬레이션은 관측된 효과가 제1 및 제2차 조지프슨 조화성분과 기저 상태 위상 이동 $δ\phi$ 의 조합으로 기인함을 확인한다.
• 제2차 조화성분이 CPR에 상당한 기여를 하며, 저자기장 영역에서 제1차 및 제2차 조화성분의 사인항 진폭 비율이 약 4:1로 나타난다.
• 기저 상태 위상 이동 $φ_{10}$ 과 $φ_{20}$ 이 $B_x$ 에 따라 100 mT까지 선형적으로 증가하여 자기장 의존적 $φ_0$-유사 거동을 확인한다.
• 1.1 K까지의 온도 의존성 측정에서 기울기 효과가 유지되어 열분포에 기인한 것이 아니며, 디코herence에 강건함을 입증한다.