[논문 리뷰] Magnetic-field-free nonreciprocal transport in graphene multi-terminal Josephson junctions

Fan Zhang, Asmaul Smitha Rashid외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 12.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 47인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비대칭 그래핀 채널에서 공간 반사 대칭성을 깨뜨림으로써 자기장이 없는 다중단자 그래핀 조지슨 접합에서 재구성 가능한 비상성 운반을 구현한다. 비상성은 비대칭 조지슨 접합으로 인해 포트 간 임계 전류가 다를 때 발생하며(예: I_c,jk ≠ I_c,kj), 회로-네트워크 모델에서 이론적으로 최대 30%의 효율을 달성했으며, 실험적으로는 삼단자 장치에서 약 24%의 효율을 확인하였다.

ABSTRACT

Nonreciprocal superconducting devices have attracted growing interest in recent years as they potentially enable directional charge transport for applications in superconducting quantum circuits. Specifically, the superconducting diode effect has been explored in two-terminal devices that exhibit superconducting transport in one current direction while showing dissipative transport in the opposite direction. Here, we exploit multi-terminal Josephson junctions (MTJJs) to engineer magnetic-field-free nonreciprocity in multi-port networks. We show that when treated as a two-port electrical network, a three-terminal Josephson junction (JJ) with an asymmetric graphene region exhibits reconfigurable two-port nonreciprocity. We observe nonreciprocal (reciprocal) transport between superconducting terminals with broken (preserved) spatial mirror symmetry. We explain our observations by considering a circuit-network of JJs with different critical currents.

연구 동기 및 목표

• 외부 자기장이나 전류 편향 없이 다중단자 조지슨 접합에서 비상성 초전도 운반을 달성하기 위해.
• 비대칭 그래핀 채널에서 공간 반사 대칭성의 파괴가 이중단자 비상성 운반을 유도함을 보여주기 위해.
• 다른 임계 전류를 가진 조지슨 접합의 회로-네트워크 모델을 개발하여 비상성 행동을 설명하고 예측하기 위해.
• 비상성 운반의 효율을 정량화하고 접합의 비대칭성에 따른 의존성에 대해 밝혀내기 위해.
• 삼단자 및 사단자 그래핀 기반 조지슨 접합에서 이론 모델을 실험적으로 검증하기 위해.

제안 방법

• 모서리 접촉을 통해 다중단자 조지슨 접합을 형성한 hBN/그래핀/hBN 반데발스 헤테로구조를 제작하였다.
• 특정 단자 간의 공간 반사 대칭성을 깨뜨리기 위해 비대칭 그래핀 채널 기하구조를 설계하였다.
• 용량이 0인 저항성 병렬 접합(RSJ) 모델을 사용하여 전압-전류 특성과 임계 전류를 시뮬레이션하였다.
• 비상성은 임계 전류가 다를 때 정의되며, I_c,jk ≠ I_c,kj로 표현되며, 여기서 I_c,kj는 단자 j에 전류를 주입했을 때 단자 k에서의 최대 전류이다.
• 임계 전류가 다른 조지슨 접합의 네트워크로 시스템을 모델링하였으며, 전류-위상 관계 I = I_c sin(ϕ) + G dϕ/dt 를 사용하였다.
• 비대칭성 매개변수 x = I_c3 / I_c1 를 변화시켜 비상성 효율 η 에 미치는 영향을 연구하였으며, 수치 시뮬레이션에서 약 30%의 평탄한 플랫폼을 관찰하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 자기장이나 전류 편향 없이 다중단자 조지슨 접합에서 비상성 운반을 달성할 수 있는가?
• RQ2 그래핀 채널에서 공간 반사 대칭성의 파괴는 이중단자 비상성 운반에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이러한 시스템에서 비상성 운반의 이론적 최대 효율은 얼마이며, 접합의 비대칭성에 따라 어떻게 변하는가?
• RQ4 다른 임계 전류를 가진 조지슨 접합의 회로-네트워크 모델이 관측된 비상성 행동을 정량적으로 설명할 수 있는가?
• RQ5 단일단자 정의(예: I_c^+ ≠ I_c^-)는 다중단자 초전도 네트워크에 적용 가능한가?

주요 결과

• 외부 자기장이나 편향 전류 없이도 삼단자 및 사단자 그래핀 조지슨 접합에서 비상성 운반을 실험적으로 관측하였다.
• 비상성은 공간 반사 대칭성이 깨진 단자 간에만 나타났으며, 대칭적인 단자 간에는 상호 운반성이 유지되었다.
• 삼단자 장치에서 비상성 효율은 약 24%에 도달하였으며, RSJ 모델이 예측한 이론적 최대값 30%와 매우 유사하였다.
• 비대칭성 증가(예: x = I_c3 / I_c1)에 따라 효율이 증가하였고, 고 x 값에서 약 30%로趋세를 보이며趋于 포화되었으며, 이는 기본적인 상한선을 시사한다.
• 더 높은 채널 대칭성을 가진 사단자 장치에서는 효율이 약 7%에 불과하여 반사 대칭성의 파괴가 핵심적 역할을 함을 확인하였다.
• 이 연구는 단일단자 비상성 정의가 다중단자 네트워크에서는 실패함을 보였으며, 상호 운반성 접합이 이러한 정의 하에서 비상성으로 보일 수 있음을 밝혔다.