[논문 리뷰] Flux-Tunable Josephson Diode Effect in a Hybrid Four-Terminal Josephson Junction

M. Coraiola, Aleksandr E. Svetogorov외 11명|arXiv (Cornell University)|2023. 12. 07.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 47인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 InAs/Al 이중층 헤테로구조를 기반으로 한 하이브리드 4단자 조지슨 접합에서 자기장 투과율 제어가 가능한 조지슨 다이오드 효과를 입증한다. 독립적인 자기장 투과율과 게이트 전압을 적용함으로써, 외부 자기장이나 특수 재료 없이 크기와 부호 모두에서 조절 가능한 초전도 다이오드 효율 |η| ≈ 34%를 달성하였다. 이는 기하학적으로 대칭적인 구조에서 비정현적 전류-위상 관계를 가진 이중 SQUID 구성이 가능하게 하여 실현된 바이다.

ABSTRACT

We investigate the direction-dependent switching current in a flux-tunable four-terminal Josephson junction defined in an InAs/Al two-dimensional heterostructure. The device exhibits the Josephson diode effect, with switching currents that depend on the sign of the bias current. The superconducting diode efficiency, reaching a maximum of $|η|\approx34\%$, is widely tunable - both in amplitude and sign - as a function of magnetic fluxes and gate voltages. Our observations are supported by a circuit model of three parallel Josephson junctions with non-sinusoidal current-phase relation. With respect to conventional Josephson interferometers, phase-tunable multiterminal Josephson junctions enable large diode efficiencies in structurally symmetric devices, where local magnetic fluxes break both time-reversal and spatial-inversion symmetries. Our work establishes a pathway to develop Josephson diodes with wide-range tunability and that do not rely on exotic materials or externally applied magnetic fields.

연구 동기 및 목표

• 다중단자 조지슨 접합에서 시간 역전 대칭성과 공간 역행 대칭성을 모두 위반하는 비상호성 초전도 전류를 입증하기.
• 특수 재료나 외부 자기장에 의존하지 않고 기하학적으로 대칭적인 장치에서 큰 크기와 넓은 범위로 조절 가능한 조지슨 다이오드 효율을 달성하기.
• 위상 조절 가능한 초전도 루프와 게이트 제어 가능한 안드리에프 결합 상태가 조절 가능한 다이오드 행동을 가능하게 하는 역할을 탐색하기.
• 비정현적 전류-위상 관계를 가진 이중 SQUID 구성으로 관측된 비상호성 전류 운반을 설명하는 회로 모델 개발하기.

제안 방법

• 장치는 InAs/Al 이중층 헤테로구조에 형성된 4단자 조지슨 접합(4TJJ)으로, 통합된 투과율 바이어스 선과 게이트 전극을 포함한다.
• 초전도 전류는 독립적인 투과율 선 전류(IL, IR)와 게이트 전압(VS, VL, VM, VR, VJ)에 따라 측정되며, 위상 차이와 안드리에프 결합 상태의 전송에 대한 제어가 가능하다.
• 시스템은 두 개의 병렬 SQUID로 구성된 이중 SQUID(bi-SQUID)로 모델링되며, 각 SQUID는 고투과성 안드리에프 결합 상태에 기인한 비정현적 전류-위상 관계(CPR)를 가진다.
• 시뮬레이션은 위상 차이 ϕL과 ϕR를 포함한 확장된 회로 모델을 사용하며, 투과율 선 전류에서 효과적 자기 투과율로의 선형 변환을 적용한다.
• 다이오드 효율 η는 양의 및 음의 전류 바이어스 조건에서의 스위칭 전류 측정(I+sw 및 I−sw)으로 추출된다.
• 두 루프 및 단일 루프 구성에서 실험적으로 수행되며, 추가적인 고임계전류 접합을 게이팅하여 한 루프를 끄는 방식을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 독립적인 투과율 및 게이트 제어만으로 기하학적으로 대칭적인 다중단자 조지슨 접합에서 조지슨 다이오드 효과를 달성할 수 있는가?
• RQ2 외부 자기장 없이 하이브리드 초전도체-반도체 4TJJ에서 얻을 수 있는 최대 조절 가능한 다이오드 효율은 얼마인가?
• RQ3 초전도 루프를 통한 위상 조절이 조지슨 다이오드 효과의 부호와 크기에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 게이트 전압으로 안드리에프 결합 상태를 조작함으로써 다이오드 행동을 얼마나 제어할 수 있는가?
• RQ5 간단한 이중 SQUID 모델이 이 시스템에서 관측된 비상호성 전류 운반을 정확히 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 조지슨 다이오드 효과는 최대 효율 |η| ≈ 34%에 도달하며, 이는 대칭적 및 비대칭적 게이트 전압 설정 모두에서 관측되었다.
• 투과율 선 전류와 게이트 전압을 조절함으로써 다이오드 효율이 크기와 부호 모두에서 넓게 조절 가능하며, 다이오드 반응이 사라지는 영역도 포함된다.
• 지오메트릭적으로 대칭적인 구조에서도 국소적 자기장 투과율에 의한 시간 역전 대칭성과 공간 역행 대칭성의 위반으로 인해 강한 비상호성이 나타난다.
• 비정현적 전류-위상 관계를 가진 이중 SQUID 모델은 실험적 스위칭 전류 트레이스와 다이오드 효율 지도를 정확히 재현한다.
• 한 접합이 초전도 상태로 게이팅되어 한 루프만 활성화된 단일 루프 구성에서도 다이오드 효과가 유지되며, 이는 위상 조절 가능한 간섭의 역할을 확인한다.
• 실제 매개변수(예: 투과성 및 위상 리프레시 등)를 포함한 확장된 모델을 사용한 시뮬레이션은 다양한 장치 구성에서 실험 데이터와 정량적으로 일치한다.