[논문 리뷰] Phase Asymmetry of Andreev Spectra From Cooper-Pair Momentum

Abhishek Banerjee, Max Geier외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 05.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 궤도 결합에 의해 유도된 유한 운동량 쿠퍼 쌍 형성으로 인해, 평행자장이 작용하는 InAs/Al 초전도체-정상-초전도체 주니처션 재결합에서 단위상 비대칭 안드레에프 바운드 상태 스펙트럼을 나타낸다. 이 비대칭성은 0.15 T에서 최대에 도달하며, 자장이 없을 경우는 관측되지 않으며, 스핀-오비탈 또는 즈만 결합을 요구하지 않는 비상호적 초전류 응답을 뒷받침한다.

ABSTRACT

In analogy to conventional semiconductor diodes, the Josephson diode exhibits superconducting properties that are asymmetric in applied bias. The effect has been investigated in number of systems recently, and requires a combination of broken time-reversal and inversion symmetries. We demonstrate a dual of the usual Josephson diode effect, a nonreciprocal response of Andreev bound states to a superconducting phase difference across the normal region of a superconductor-normal-superconductor Josephson junction, fabricated using an epitaxial InAs/Al heterostructure. Phase asymmetry of the subgap Andreev spectrum is absent in the absence of in-plane magnetic field and reaches a maximum at 0.15 T applied in the plane of the junction transverse to the current direction. We interpret the phase diode effect in this system as resulting from finite-momentum Cooper pairing due to orbital coupling to the in-plane magnetic field, without invoking Zeeman or spin-orbit coupling.

연구 동기 및 목표

• 스핀-오비탈 또는 즈만 결합에 의존하지 않고 비상호적 안드레에프 바운드 상태 응답을 연구하는 것.
• 평행자장 하에서 주니처션 재결합의 임계 스펙트럼에서 단위상 비대칭의 기원을 규명하는 것.
• 오비탈 결합만으로도 유한 운동량 쿠퍼 쌍 형성이 유도되어 비상호적 초전류 흐름이 발생할 수 있음을 입증하는 것.
• 세 단자 스펙트로스코피를 이용해 단위상 비대칭 안드레에프 바운드 상태의 공간적 분포를 실험적으로 검증하는 것.

제안 방법

• 100 nm 폭의 정상 영역과 1.8 µm 초전도체 리드를 갖는 평판형 InAs/Al 에피택시얼 주니처션 재결합을 제작하였다.
• 초전도체 단위상 차이와 평행자장에 따른 안드레에프 바운드 상태 스펙트럼을 맵핑하기 위해 국소 및 비국소 턨널 스펙트로스코피를 수행하였다.
• 세 단자 도전도 측정을 통해 단위상 비대칭 상태의 부스러기 성격이 재결합 전반에 걸쳐 있음을 확인하였다.
• 자장에 의한 오비탈 결합을 포함한 해밀토니안을 이론적으로 모델링하여, 유도된 단위상 기울기를 통합하였다.
• 재료 특성(자기모멘트 인자, 스핀-오비탈 결합, 효과적 질량)에서 유도된 매개변수를 사용해 에너지 스펙트럼과 다이오드 효율을 시뮬레이션하였다.
• 유도 계수의 역할을 평가하기 위해 인덕성 유무에 따라 시스템을 모델링하였다.

Figure 1: Device schematic and micrograph (a) Schematic of a planar Josephson junction device consisting of two superconducting leads (blue) of width $w_{s}=1.8\,\mu$ m in epitaxial contact with the underlying semiconductor (brown). The normal region between the two leads is of width $w_{n}=100$ nm,

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀-오비탈 또는 즈만 결합 없이도 단위상 비대칭 안드레에프 바운드 상태를 주니처션 재결합에서 유도할 수 있는가?
• RQ2 평행자장에 대한 오비탈 결합이 유한 운동량 쿠퍼 쌍 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 증가하는 평행자장에 따라 안드레에프 스펙트럼의 단위상 비대칭성은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 비상호적 안드레에프 바운드 상태는 재결합 가장자리에 국한되어 있는가, 아니면 정상 영역 전반에 퍼져 있는가?
• RQ5 이 시스템에서 오비탈 결합만으로 달성 가능한 최대 다이오드 효율은 얼마인가?

주요 결과

• 안드레에프 바운드 상태 스펙트럼의 단위상 비대칭성은 평행자장이 작용할 때만 나타나며, 0.15 T에서 최대에 도달한다.
• 세 단자 도전도 스펙트로스코피로 확인된 바, 단위상 비대칭 스펙트럼은 가장자리뿐 아니라 재결합의 전반에 걸쳐 관측된다.
• 자장이 0일 경우, 안드레에프 스펙트럼은 단위상 반전에 대해 대칭적이며, 내재된 비대칭성이 없음을 확인한다.
• 관측된 단위상 비대칭성은 스핀-오비탈 또는 즈만 효과가 아닌, 평행자장에 의한 오비탈 결합에 의해 유도된 유한 운동량 쿠퍼 쌍 형성에 기인한다.
• 이론적 모델링은 실험적 단위상 비대칭성과 다이오드 효율을 재현하며, 피크 효율은 오비탈 단위상 기울기가 초전도 갭과 일치하는 자기장 근처에서 발생한다.
• 시스템은 국소 및 비국소 도전도 모두에서 비상호적 응답를 보이며, 한쪽 끝에서 스펙트럼 갭이 작고 다른 쪽에서는 더 크며, 이는 방향성 있는 초전류 흐름을 확인한다.

Figure 2: Nonreciprocal Andreev bound state spectrum. (a)–(e) Differential conductance measured in Device 1 as a function of $B_{\perp}$ at different value of $B_{\parallel}$ . At $B_{\parallel}=$ 0, the Andreev bound state spectrum is phase-symmetric within each flux lobe. For non-zero $B_{\paralle