[논문 리뷰] Parity-conserving Cooper-pair transport and ideal superconducting diode in planar Germanium

Marco Valentini, Olivér Sági외 17명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 12.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 63인용 수 11

한 줄 요약

논문은 Al 스페이서를 가진 얕은 Ge 양자우물 아래 평면 Ge 홀 가스를 통해 근접 유도 초전도성을 보여주고, sin(2φ) 현재-위상 관계를 갖는 제SQUID에서 게이트/플럭스 가변 초전도 다이오드를 실현하며, 마이크로파 구동 하에서 반정수 샤피로 단계를 관찰한다.

ABSTRACT

Superconductor/semiconductor hybrid devices have attracted increasing interest in the past years. Superconducting electronics aims to complement semiconductor technology, while hybrid architectures are at the forefront of new ideas such as topological superconductivity and protected qubits. In this work, we engineer the induced superconductivity in two-dimensional germanium hole gas by varying the distance between the quantum well and the aluminum. We demonstrate a hard superconducting gap and realize an electrically and flux tunable superconducting diode using a superconducting quantum interference device (SQUID). This allows to tune the current phase relation (CPR), to a regime where single Cooper pair tunneling is suppressed, creating a $\sin \left( 2 φ ight)$ CPR. Shapiro experiments complement this interpretation and the microwave drive allows to create a diode with 100% efficiency. The reported results open up the path towards integration of spin qubit devices, microwave resonators and (protected) superconducting qubits on a silicon technology compatible platform.

연구 동기 및 목표

• 실리콘-호환 플랫폼을 위한 하이브리드 초전도-반도체 소자와 평면 Ge의 가능성 제시.
• spacer 두께와 게이트 튜닝으로 제어되는 Ge 홀이스에서의 근접 유도 초전도성 시연.
• SQUID를 통한 게이트 및 플럭스 가변 초전도 다이오드 구현으로 비대칭 current-phase relations를 유도.
• CPR 하모닉스와 단일 코퍼-페어 전이가 억제되는 조건 연구.
• higher-harmonic CPR 구성요소에 대한 증거로 마이크로파 구동 시 Shapiro 스텝 분석.

제안 방법

• 18 nm Ge 양자우물을 SiGe 스페이서 두께 D(5 nm 및 8 nm)로 분리한 스트레인 Ge/SiGe 이종구조를 성장시킨다.
• 근접 초전도성을 유도하기 위해 외부에 Al를 증착하고 터널링 분광학으로 유도 간극 Δ*를 특성화한다.
• 게이트 전압 및 자기 플럭스에 따른 재트래핑 전류, CPR, 다이오드 효율 η를 측정하기 위해 Josephson 접합 및 SQUID 기하학을 제작한다.
• 접합에서 고차 하모닉 기여를 포함하고 인덕턴스를 포함하여 비대칭 SQUID 패턴을 재현하도록 장치 CPR을 모델링한다.
• 마이크로파 구동하에 Shapiro-스텝 측정을 수행하여 sin(2φ) CPR 성분과 일치하는 반정수 스텝을 식별한다.

Figure 1: Proximity induced superconductivity in Planar Ge . a Heavy hole (HH) [light hole (LH)] band energies (black trace) [(grey trace)] along the growth direction $z$ simulated using NextNano. HHs are accumulated at the upper QW interface, as shown by the pink trace representing the HH wavefunct

실험 결과

연구 질문

• RQ1 평면 Ge 홀 가스에서 얕은 QW 및 얇은 스페이서를 사용해 근접 유도 초전도성이 강하게 달성될 수 있는가?
• RQ2 D에 따른 유도 간극 Δ*의 의존성 및 Al 근접성은 어떻게 되는가?
• RQ3 Ge 기반 SQUID에서 게이트 및 플럭스 가변 초전도 다이오드를 구현할 수 있으며 어떤 CPR 구성요소가 필요한가?
• RQ4 sin(2φ) CPR가 지배하는 조건은 무엇이며 단일 COOPER-페어 전달을 억제할 수 있는가?
• RQ5 Shapiro 스텝은 고차 하모닉 CPR를 시사하는 반정수 특성을 나타내는가?

주요 결과

• Ge/SiGe 이종구조에서 Δ*가 최대 150 μeV(샘플 D5)이고 모체 Al 간극 Δ ≈ 230 μeV인 강한 초전도 간극이 관찰된다.
• 터널링 분광법은 D5에서 하드 간극과 하위 간극 전도도 약 두 자릿수 감소를 보인다.
• 게이트 및 플럭스 가변 SQUID는 특정 플럭스 및 게이트 설정에서 η가 최대 약 15%인 초전도 다이오드 효과를 보인다.
• 균형 접합 영역에서 첫 번째 CPR 고조파가 억제되어 sin(2φ)‑지배 CPR와 단일 COoper-페어 전달이 억제되는 스위트-포인트를 형성한다.
• 마이크로파 구동 하에서 φ/φ0 ≈ 0.5 근처에서 반정수 스텝이 관찰되며 sin(2φ) CPR 기여와 일치한다.
• 마이크로파 구동, 비휘발성 다이오드 작동은 특정 영역에서 η ≈ 1에 도달할 수 있다.

Figure 2: Superconducting gap tunability. a Sketch of the proximity effect. Al has a superconducting parent gap $\Delta$ and it is coupled to the Ge hole gas. The coupling $t$ , and therefore the induced gap $\Delta^{*}$ , depends on the thickness of the SiGe tunnel barrier, i.e. on D. b Top-view sk