[논문 리뷰] Magnetic Josephson Junctions and Superconducting Diodes in Magic Angle Twisted Bilayer Graphene

Jaime Díez-Mérida, A. Díez-Carlón외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 03.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 51인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 MATBG에서 상관 ν = -2 상태 근처의 게이트 정의 자성 Josephson 접합을 보여주고, 위상 편이가 있는 프라우노허프 패턴과 자성 히스테리시스를 드러내며, 프로그래밍 가능한 제로필드 초전도 다이오드를 구성한다.

ABSTRACT

The simultaneous co-existence and gate-tuneability of the superconducting (SC), magnetic and topological orders in magic angle twisted bilayer graphene (MATBG) open up entirely new possibilities for the creation of complex hybrid Josephson junctions (JJ). Here we report on the creation of gate-defined, magnetic Josephson junctions in MATBG, where the weak link is gate-tuned close to the correlated state at a moiré filling factor of ν=-2. A highly unconventional Fraunhofer pattern emerges, which is phase-shifted and asymmetric with respect to the current and magnetic field directions, and shows a pronounced magnetic hysteresis. Interestingly, our theoretical calculations of the JJ with a valley polarized ν=-2 with orbital magnetization as the weak link explain most of these unconventional features without fine tuning the parameters. While these unconventional Josephson effects persist up to the critical temperature Tc ~ 3.5K of the superconducting state, at temperatures below T < 800mK, we observed a pronounced magnetic hysteresis possibly due to further spin-polarization of the ν=-2 state. We demonstrate how the combination of magnetization and its current induced magnetization switching in the MATBG JJ allows us to realize a programmable zero field superconducting diode, which represents a major building block for a new generation of superconducting quantum electronics.

연구 동기 및 목표

• MATBG에서 하이브리드 Josephson 소자용으로 초전도, 자성, 위상학적 상의 공존을 동기부여하고 탐색한다.
• ν = -2 상관 상태에 가까운 게이트 조정 약 연결부를 시연한다.
• 위상 시프트 및 히스테시스를 포함한 비전형 Josephson 효과를 특징짓는다.
• 자성화와 전류 유도 스위칭이 제로필드 초전도 다이오드를 어떻게 가능하게 하는지 보인다.
• MATBG JJs를 이용한 프로그래머블 초전도 양자 전자학의 잠재성을 논의한다.

제안 방법

• MATBG의 약 연결부를 ν = -2 상관 상태로 게이트 조정한다.
• MATBG에서 자성 Josephson 접합을 제작하고 특성화한다.
• 전류 및 자기장에 따른 Fraunhofer 패턴과 히스테시스를 측정한다.
• 약 연결부로서 궤도 자기 모먼트를 가진 계쏙화된 ν = -2를 위한 밸리 편향 계산을 이론적으로 수행한다.
• Spin-편향 효과에 대한 Tc ~ 3.5 K까지의 온도 의존성과 800 mK 이하에서의 분석을 수행한다.
• MATBG JJ에서 자성화와 전류 유도 스위칭을 이용한 다이오드 동작을 시연한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MATBG가 ν = -2 상관 상태로 게이트 정의 자성 Josephson 접합을 게이트로 조절하여 구성할 수 있는가?
• RQ2 약 연결부가 밸리 편향 및 궤도 자기 모먼트를 가질 때 Fraunhofer 패턴에서 어떤 비전형 특징이 나타나는가?
• RQ3 장치가 자성 히스테시스를 나타내며 온도와 스핀 편향에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 자성화와 전류 유도 스위칭의 결합으로 제로필드 초전도 다이오드를 구현할 수 있는가?
• RQ5 관찰된 현상을 파라미터를 세밀하게 맞추지 않고 이론으로 설명할 수 있는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 비전형 Fraunhofer 패턴이 위상 편이가 있고 전류 및 자기장 방향에 대해 비대칭적으로 나타난다.
• 조셉슨 응답에서 뚜렷한 자성 히스테리시스가 관찰된다.
• 밸리 편향된 ν = -2와 궤도 자기 모먼트를 갖는 이론적 계산이 많은 특징들을 미세 조정 없이도 설명한다.
• 비전형 효과가 Tc ~ 3.5 K까지 초전도 전이 온도까지 지속된다.
• T < 800 mK에서 자성 히스테시스가 강화되어 ν = -2 상태의 추가적인 스핀 편향을 시사한다.
• 행자 게이트 MATBG JJ에서 자성화와 전류 유도 스위칭을 이용한 프로그래머블 제로필드 초전도 다이오드를 시연한다.