[논문 리뷰] Gate-controlled Supercurrent in Ballistic InSb Nanoflag Josephson Junctions

Sedighe Salimian, Matteo Carrega외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 02.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 91인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 티타늄/니오븀 접촉을 갖는 비탄성 InSb 나노플래그 조지프슨 접합에서 게이트 조절이 가능한 초전류를 입증하며, 250 mK에서 약 50 nA의 임계 초전류를 달성하였다. 장치는 명확한 고조파 갭 구조와 상당한 초과 전류를 나타내어, 위상 공명성과 매우 투명한 인터페이스를 나타내며, 이는 InSb 나노플래그가 토폴로지 양자 장치에 유망한 플랫폼임을 입증한다.

ABSTRACT

High-quality III-V narrow band gap semiconductor materials with strong spin-orbit coupling and large Lande g-factor provide a promising platform for next-generation applications in the field of high-speed electronics, spintronics, and quantum computing. Indium Antimonide (InSb) offers a narrow band gap, high carrier mobility, and a small effective mass, and thus is very appealing in this context. In fact, this material has attracted tremendous attention in recent years for the implementation of topological superconducting states supporting Majorana zero modes. However, high-quality heteroepitaxial two-dimensional (2D) InSb layers are very diffcult to realize owing to the large lattice mismatch with all commonly available semiconductor substrates. An alternative pathway is the growth of free-standing single-crystalline 2D InSb nanostructures, the so-called nanoflags. Here we demonstrate fabrication of ballistic Josephson-junction devices based on InSb nanoflags with Ti/Nb contacts that show gate-tunable proximity-induced supercurrent up to 50 nA at 250 mK and a sizable excess current. The devices show clear signatures of subharmonic gap structures, indicating phase-coherent transport in the junction and a high transparency of the interfaces. This places InSb nanoflags in the spotlight as a versatile and convenient 2D platform for advanced quantum technologies.

연구 동기 및 목표

• 양자 장치의 결함 없는 플랫폼으로서 고품질의 자유상태 2차원 InSb 나노플래그(NF)를 개발하기 위해.
• Ti/Nb 초전도체 접촉을 사용한 InSb NF를 이용한 비탄성 조지프슨 접합을 제작하기 위해.
• 게이트 조절이 가능한 인접 효과 유도 초전류를 입증하고 접합 내의 전류 공명성을 조사하기 위해.
• 다중 안드리에브 반사(MAR) 특징을 통해 인터페이스의 투명성과 공명성을 조사하기 위해.
• 미래의 토폴로지 초전도성 및 메이저라 제로모드 연구에 적합한 InSb NF의 적합성을 확립하기 위해.

제안 방법

• 화학적 비합성 에피택시(CBE)를 이용해 경사진 InP 나노와이어 기반에서 단일 결정성 자유상태 InSb 나노플래그를 성장시키기 위해.
• 장치 제작을 위해 100 nm 두께의 InSb NF를 SiO2/Si 기판으로 기계적 이송하기 위해.
• 200 nm 간격의 전극 간격을 갖는 조지프슨 접합을 10/150 nm 두께의 Ti/Nb 접촉을 사용해 제작하기 위해.
• 250 mK에서 DC I-V 측정 및 락인 차분 저항(dV/dI)을 통한 전기적 특성 분석하기 위해.
• 측정된 I-V 곡선에서 2D dV/dI 맵을 수치적으로 유도하여 MAR 특징과 초과 전류를 식별하기 위해.
• BCS 이론과 Aminov 등이 제안한 인터페이스 투명도 모델(γB 파라미터)을 사용하여 MAR 흔적과 I-V 특성 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 게이트 전압 조절이 비탄성 InSb 나노플래그 조지프슨 접합의 초전류를 조절할 수 있는가?
• RQ2 고조파 갭 구조에 의해 나타나는 위상 공명성과 인터페이스 투명도의 정도는 어떠한가?
• RQ3 InSb NF에 유도된 초전도 갭은 Nb의 BCS 갭과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 초과 전류와 정상 저항은 뒷게이트 전압에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 관측된 전류 특성은 InSb NF에서 비탄성, 인접 효과 유도 초전도성의 존재를 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 250 mK에서 약 50 nA의 게이트 조절이 가능한 초전류가 관측되었으며, 뒷게이트 조절 조건에서 임계 전류가 최대 50 nA까지 유지되었다.
• 명확한 고조파 갭 구조(MAR 특징)가 관측되어 위상 공명성과 높은 인터페이스 투명도를 나타내었다.
• Vbg = 40 V에서 측정된 초과 전류는 265 ± 12 nA였으며, Ie·Rn = 127 ± 7 µV로, 비탄성 접합에 대한 이론적 예측과 일치하였다.
• Vbg가 5 V에서 40 V 범위에서 Ie·Rn 값은 약 137 ± 19 µV로 거의 일정하게 유지되어, 안드리에브 반사 과정의 강건성을 나타내었다.
• 유도된 갭 ∆*는 Nb의 BCS 갭(1.28 meV)보다 상당히 작다는 것이 추정되었으며, 이는 티타늄 중간층을 통한 인접 효과와 일치하였다.
• 인터페이스 투명도 파라미터 γB ≈ 10이 유도되었으며, 이는 중간 정도의 투명도를 나타내었고, MAR 특징은 덮개가 있는 및 없는 InSb 영역 간 수직 인터페이스의 높은 투명도를 시사하였다.