[논문 리뷰] Planar Josephson Junctions Templated by Nanowire Shadowing

Po Zhang, A. Zarassi외 17명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 08.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 초전도체 증착 중 반도체 나노와이어를 그림자 마스크로 사용하여 레이저리스 방법으로 평판형 조지프슨 결합을 제작하는 기술을 소개한다. 이 방법은 투명한 인터페이스와 자가정렬 전기적 게이트를 갖춘 고성능 결합을 가능하게 하며, InAs 양자우물에서 Al 및 Sn 기반 결합에서 검증되었으며 임계전류-저항 곱이 초전도 박막의 갭을 초과하는 결과(0.4 mV 및 0.86 mV)를 도출하여 강력한 비례 효과와 조정 가능한 조지프슨 거동를 확인한다.

ABSTRACT

More and more materials, with a growing variety of properties, are built into electronic devices. This is motivated both by increased device performance and by the studies of materials themselves. An important type of device is a Josephson junction based on the proximity effect between a quantum material and a superconductor, useful for fundamental research as well as for quantum and other technologies. When both junction contacts are placed on the same surface, such as a two-dimensional material, the junction is called ``planar". One outstanding challenge is that not all materials are amenable to the standard planar junction fabrication. The device quality, rather than the intrinsic characteristics, may be defining the results. Here, we introduce a technique in which nanowires are placed on the surface and act as a shadow mask for the superconductor. The advantages are that the smallest dimension is determined by the nanowire diameter and does not require lithography, and that the junction is not exposed to chemicals such as etchants. We demonstrate this method with an InAs quantum well, using two superconductors - Al and Sn, and two semiconductor nanowires - InAs and InSb. The junctions exhibit critical current levels consistent with transparent interfaces and uniform width. We show that the template nanowire can be operated as a self-aligned electrostatic gate. Beyond single junctions, we create SQUIDs with two gate-tunable junctions. We suggest that our method can be used for a large variety of quantum materials including van der Waals layers, topological insulators, Weyl semimetals and future materials for which proximity effect devices is a promising research avenue.

연구 동기 및 목표

• 민감한 양자물질에 대한 화학적 및 기계적 손상을 피하면서 레이저리스 평판형 조지프슨 결합 제작 방법을 개발하는 것.
• 그림자 효과를 이용한 나노와이어를 게이트 전극으로 사용하여 결합의 약한 연결부에 자가정렬 전기적 게이팅을 실현하는 것.
• Al 및 Sn 초전도체를 사용하여 InAs 양자우물 내 2차원 전자기체(2DEGs)에서 고성능 조지프슨 결합을 제작하는 것.
• 게이트 조절 가능한 결합을 갖춘 SQUID를 제작하여 비사인형 전류-위상 관계를 탐색하는 것.
• 바르드 반데르발스 다층구조 및 톱올로지컬 절연체를 포함한 다양한 양자물질과의 호환성을 넓혀 비례 효과 장치의 적용 범위를 확장하는 것.

제안 방법

• 나노와이어는 반데르발스 힘을 통해 2DEG 기판에 전달되며, 초전도체 증착 중 그림자 마스크로 작용한다.
• Al 또는 Sn이 2DEG에 증착되며, 나노와이어가 그림자를 드리우켜 결합 너비를 정의한다.
• 기판에 있는 2DEG와 함께 배경 게이트 구조를 형성함으로써 나노와이어가 자가정렬 전기적 게이트로 기능한다.
• 에칭 또는 리소그래피를 사용하지 않아 2DEG 손상이 최소화되고 인터페이스 투과도가 유지된다.
• 이 방법은 Al/InAs 및 Sn/InAs 시스템 모두에 적용되었으며, Sn 증착은 상호확산을 방지하기 위해 80 K에서 수행되었다.
• 제조 후 선택적 습식 에칭을 통해 결합 외부의 과잉 Sn 및 InAs가 제거되어 결합의 무결성이 유지된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노와이어의 그림자 효과로 고 인터페이스 투과도와 최소한의 공정 손상이 있는 평판형 조지프슨 결합을 제작할 수 있는가?
• RQ2 그림자 효과를 이용한 나노와이어가 게이트 조절 가능한 결합에서 자가정렬 전기적 게이트로 작용할 수 있는가?
• RQ3 이 방법으로 제작된 결합이 초전도 박막의 갭을 초월하는 $I_cR_N$ 곱을 나타내는가? 이는 강력한 비례 결합을 의미한다.
• RQ4 이 방법을 Al 및 Sn을 포함한 여러 초전도체와 InAs, InSb 등 다양한 양자물질로 확장할 수 있는가?
• RQ5 비사인형 전류-위상 관계가 이러한 장치의 SQUID 및 단일 결합 행동에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• Al/InAs 결합은 $I_cR_N$ = 0.4 mV를 나타내며, Al 초전도 갭 0.35 meV를 초월하여 높은 투과도와 강력한 비례 효과를 확인한다.
• Sn/InAs 결합은 $I_cR_N$ = 0.86 mV를 나타내며, Sn 갭 0.6 meV를 크게 초월하여 강력한 비례 결합을 확인한다.
• Sn 결합에서 다중 안드레아프 반사 피크 분석을 통한 $dI/dV$ 스펙트로스코피로 유도 갭 Δ = 0.57 meV를 측정하였다.
• 두 개의 게이트 조절 가능한 결합을 갖춘 SQUID는 반반사 유사 자기장 조절 특성을 보이며, 반자기자기량 근처에서 끇은 형태의 비선형 성분이 강하게 나타나 전류-위상 관계의 높은 차수 성분이 있음을 시사한다.
• 이 방법은 6개의 칩에서 60개 이상의 장치를 재현 가능하게 제조하였으며, 8회의 초저온 냉각 과정에서 총 5700개의 데이터셋을 수집하였다.
• 이 기술은 바르드 반데르발스 다층구조, 톱올로지컬 절연체, 와이울 반도체 등 다양한 양자물질과 호환되며, 향후 이상한 양자 상태 탐색에 기여할 수 있다.