[논문 리뷰] Josephson Diode Effect in High Mobility InSb Nanoflags

Bianca Turini, Sedighe Salimian외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 18.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 단일 구동성 InSb 나노플래그 주니온 저항에서, 평면 내 자기장이 시간 역전 및 역행성 대칭성을 깨뜨리며 라슈바 스핀 오비탈 결합에 의해 비상호성 초전류 흐름을 유도하는 조셉슨 다이오드 효과(Josephson diode effect, JDE)를 보여준다. 주요 결과는 조절 가능한, 손실이 없는 초전류 정류로, 수직 자기장 방향에서 최대가 되며 온도 상승에 의해 억제됨을 보여주며, InSb가 저손실 초전도 전자소자에 유망한 플랫폼임을 입증한다.

ABSTRACT

We report evidence of non-reciprocal dissipation-less transport in single ballistic InSb nanoflag Josephson junctions, owing to a strong spin-orbit coupling. Applying an in-plane magnetic field, we observe an inequality in supercurrent for the two opposite current propagation directions. This demonstrates that these devices can work as Josephson diodes, with dissipation-less current flowing in only one direction. For small fields, the supercurrent asymmetry increases linearly with the external field, then it saturates as the Zeeman energy becomes relevant, before it finally decreases to zero at higher fields. We show that the effect is maximum when the in-plane field is perpendicular to the current vector, which identifies Rashba spin-orbit coupling as the main symmetry-breaking mechanism. While a variation in carrier concentration in these high-quality InSb nanoflags does not significantly influence the diode effect, it is instead strongly suppressed by an increase in temperature. Our experimental findings are consistent with a model for ballistic short junctions and show that the diode effect is intrinsic to this material. Our results establish InSb Josephson diodes as a useful element in superconducting electronics.

연구 동기 및 목표

• 고품질 InSb 나노플래그를 기반으로 한 단일 평면 주니온 저항에서 내재된 비상호성 초전류 운반을 보여주기.
• 라슈바 스핀 오비탈 결합이 조셉슨 다이오드 효과의 주요 대칭성 깨짐 메커니즘으로서의 역할을 규명하기.
• 다이오드 효과가 평면 내 자기장 방향, 강도 및 온도에 따라 어떻게 변화하는지 조사하기.
• 운반자 농도 변화와 같은 외재적 영향을 배제함으로써 효과의 내재성 입증하기.
• 이론 모델과 일치하는, 구동성 및 단거리 주니온 영역에서의 조셉슨 다이오드 효과에 대한 실험적 검증 제공하기.

제안 방법

• 초전도성 접촉을 가진 단일 구동성 InSb 나노플래그 주니온 저항에서 저온 자기운반 측정 수행.
• 초전류 비대칭성의 각도 의존성을 조사하기 위해 전류 방향에 대해 다양한 각도로 평면 내 자기장을 적용.
• 스위칭 전류 측정을 통해 정류 계수 η = ΔI_sw / B_ip 를 추출하였으며, ΔI_sw = |I_sw^+ - I_sw^-| 로 정의.
• B_ip에 대한 비례 계수 m = η / B_ip 를 sin(θ) 함수로 피팅하였으며, θ는 전류와 평면 내 자기장 사이의 각도이다.
• 30 mK에서 200 mK까지의 온도 의존성 측정을 통해 열적 억제 효과 평가.
• 이상적 위상 이격이 있는 구동성 SNS 주니온 기반 이론적 모델링을 통해 자기장 및 온도 의존성 초전류 비대칭성 해석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 평면 내 자기장 하에서 고이동도 InSb 나노플래그에서 비상호성 초전류 운반의 기원은 무엇인가?
• RQ2 조셉슨 다이오드 효과는 전류 방향에 대해 평면 내 자기장의 방향에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 온도를 높일수록 다이오드 효과는 어느 정도 억제되며, 그 이유는 무엇인가?
• RQ4 이 효과는 물질의 내재적 성질인지, 운반자 농도와 같은 외재적 요인에 의해 영향을 받는가?
• RQ5 관측된 초전류 비대칭성은 단거리 주니온에서 라슈바 스핀 오비탈 결합과 이상적 위상 이격을 기반으로 한 모델로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 단일 평면 InSb 나노플래그 주니온 저항에서 조셉슨 다이오드 효과가 관측되었으며, 평면 내 자기장에 의해 비상호성 초전류 흐름이 유도됨.
• 초전류 비대칭성은 평면 내 자기장이 약 58 mT 이하일 동안 선형적으로 증가하다가 포화되며, 이후 농도가 감소하여 결국 0이 됨.
• 최대 정류 효과는 평면 내 자기장이 전류 방향과 수직일 때 발생하여, 라슈바 스핀 오비탈 결합이 주요 대칭성 깨짐 메커니즘임을 확인.
• 비대칭성 대비 B_ip의 선형 피팅을 통해 정류 계수 α = -2.9 ± 0.2 T⁻¹ 를 추출하였으며, 특성 자기장 B₀ = 345 mT 로 확인.
• 온도 상승에 따라 다이오드 효과가 강하게 억제되며, 30 mK에서 200 mK로 올라갈수록 |α| 가 크게 감소함. 이는 전류-위상 관계의 고조파 성분의 빠른 감쇠 때문임.
• 운반자 농도 변화에 대해 강건하지만 고온에서 사라지므로, 양자 얽힘과 전류-위상 관계의 고조파 기여에 의존함을 시사함.