[논문 리뷰] Observation of nonlocal Josephson effect on double InAs nanowires

Sadashige Matsuo, Joon Sue Lee외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 24.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 공통 초전도체 전극을 공유하는 두 개의 조셉슨 결합(JJ)을 가진 이중 InAs 나노와이어에서 비국소 조셉슨 효과를 실험적으로 입증한다. 여기서 한 JJ의 스위칭 전류는 공유 초전도체를 통한 위상 차이에 의해 다른 JJ와의 공명 결합을 통해 조절된다. 자속에 따른 진동하는 스위칭 전류의 관측은 안드레이브 분자 상태의 존재를 확인하며, 토폴로지 양자 컴퓨팅과 초전류의 비국소 제어를 위한 길을 열어준다.

ABSTRACT

Short-range coherent coupling of two Josephson junctions (JJs) are predicted to generate a supercurrent in one JJ nonlocally modulated by the phase difference in the other. We report on observation of the nonlocal Josephson effect on double InAs nanowires as experimental evidence of the coherent coupling. We measured one JJ sharing one superconducting electrode with the other JJ and observed switching current oscillation as a control of the nonlocal phase difference. Our result is an important step toward engineering of novel superconducting phenomena with the short-range coherent coupling.

연구 동기 및 목표

• 공통 초전도체 전극을 통해 이중 InAs 나노와이어의 두 조셉슨 결합(JJ) 간의 공명 결합을 실험적으로 입증한다.
• 한 JJ의 초전류가 다른 JJ의 위상 차이에 의해 제어되는 비국소 조셉슨 효과에 대한 실험적 증거를 제공한다.
• 공유 초전도체를 통해 하이브리드화된 안드레이브 고립 상태가 형성하는 안드레이브 분자 상태(AMS)의 존재를 검증한다.
• 하이브리드 나노와이어 장치에서 시간역전 대칭을 갖는 토폴로지 초전도성과 비국소 양자 제어를 공학적으로 설계할 수 있는 플랫폼을 구축한다.

제안 방법

• 60 nm 간격을 두고 공간적으로 분리된 평행 나노와이어를 고수율로 확보하기 위해 선택적 영역 성장(SAG) 기법을 사용해 이중 InAs 나노와이어를 제작하였다.
• 상부 및 하부 나노와이어에 각각 JJU 및 JJL라는 두 개의 조셉슨 결합을 형성하였으며, 고투과성의 에pitaxial Al 캡핑을 통해 공통 초전도체 전극을 공유하였다.
• 상부 나노와이어에 있는 JJU의 스위칭 전류가 하부 나노와이어에 있는 JJL의 위상 차이에 의해 비국소적으로 제어될 수 있도록, 게이트 조절이 가능한 상부 게이트(Ti/Au)를 도입하였다.
• 10 mK에서 락인 기술을 사용해 미분 도전도 및 스위칭 전류를 측정하였으며, JJL의 전류와 자속에 따른 JJU의 스위칭 전류 비국소 조절을 검출하였다.
• 공통 전극를 둘러싸는 초전도체 루프를 사용해 자속을 조절함으로써 스위칭 전류의 자속 의존성 진동을 관측하였다.
• 관측된 효과의 역할을 확인하기 위해, 다양한 간격(0.2–1.0 µm)을 가진 단일 나노와이어 이중 JJ에서 제어 실험을 수행하였다.

Figure 1: Concept of this study and device structure. (a) AMS formation is shown. The ABSs of JJU and JJL penetrate the SC electrodes, as illustrated in the middle panel. When the separation of the two JJs is short, the ABSs in the respective nanowires are hybridised to form an AMS. (b) SEM image of

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공통 초전도체 전극을 공유하는 이중 InAs 나노와이어 시스템에서 비국소 조셉슨 효과를 실험적으로 관측할 수 있는가?
• RQ2 한 조셉슨 결합의 스위칭 전류가 공유 초전도체를 통한 공명 결합을 통해 다른 결합의 위상 차이에 의해 영향을 받는가?
• RQ3 관측된 비국소 조절 효과가 안드레이브 고립 상태의 하이브리드화에 의해 형성된 안드레이브 분자 상태(AMS)와 일치하는가?
• RQ4 자속과 게이트 전압이 비국소 초전류를 어떻게 조절하는가? 이는 공명 결합의 존재를 어떻게 확인하는가?
• RQ5 두 결합 간의 공간적 간격이 비국소 조셉슨 효과의 명확성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 공통 초전도체 루프를 통과하는 자속에 따른 상부 조셉슨 결합(JJU)의 스위칭 전류가 명확한 진동을 보이며, 이는 비국소 위상 제어를 확인한다.
• JJU의 스위칭 전류에 나타나는 진동은 하부 결합(JJL)에 주입된 전류에 의해 조절되며, 이는 위상 차이를 통한 비국소 초전류 제어를 입증한다.
• 관측된 진동의 주기는 h/2e이며, 이는 자속 양자와 일치하여 공유 초전도체를 통한 공명 결합의 존재를 시사한다.
• 결합 간 거리가 0.6 µm를 초과하는 장치에서는 비국소 효과가 관측되지 않아, 짧은 거리의 공명 결합이 이 효과에 필수적임을 확인한다.
• 저 McCumber 매개수(β ≈ 0.025)로 인해 IV 곡선에 명백한 히스테리시스가 없으며, 이는 과다진동 상태임을 나타내지만, 비국소 진동은 여전히 강건하게 유지된다.
• 비국소 게이트 전압 의존성은 이 효과가 정전기적 간섭(crosstalk)이 아닌 진정으로 안드레이브 분자 상태를 통한 위상 공명 결합에 기인함을 확인한다.

Figure 2: 3 terminal measurement of the two coupled Josephson junctions on the double nanowire. (a) shows a schematic of the electrical circuit used for measurement of sample A. (b) and (c) show the differential resistances of JJU and JJL, respectively, as a function of $I_{\rm U}$ and $I_{\rm L}$ ,