[논문 리뷰] Superconducting Diode Effect Sign Change in Epitaxial Al-InAs Josepshon Junctions

Neda Lotfizadeh, Schiela, William F.외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 03.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 41인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 강한 라슈바 스핀오비트결합(SOC)을 가진 에피택시얼 알루미늄-인간화(Al-InAs) 주오슨 접합에서 평행자기장 하에서 초전도 다이오드 효과(SDE)의 부호 전환이 발생함을 보여준다. SDE의 부호 전환은 낮은 자기장에서 좁은 초전도체 폭($W_S = 0.15\,\mu\text{m}$)에서 SOC에 기인한 임계전류 비대칭성에 기인하며, 넓은 접합($W_S = 0.6\,\mu\text{m}$)에서는 $0-\pi$-유사 전이와 관련되며, 반드시 위상적 초전도성을 의미하는 것은 아니다.

ABSTRACT

There has recently been a surge of interest in studying the superconducting diode effect (SDE) partly due to the possibility of uncovering the intrinsic properties of a material system. A change of sign of the SDE at finite magnetic field has previously been attributed to different mechanisms. Here, we observe the SDE in epitaxial Al-InAs Josephson junctions with strong Rashba spin-orbit coupling (SOC). We show that this effect strongly depends on the orientation of the in-plane magnetic field. In the presence of a strong magnetic field, we observe a change of sign in the SDE. Simulation and measurement of supercurrent suggest that depending on the superconducting widths, $W_ ext{S}$, this sign change may not necessarily be related to 0--$π$ or topological transitions. We find that the strongest sign change in junctions with narrow $W_ ext{S}$ is consistent with SOC-induced asymmetry of the critical current under magnetic-field inversion, while in wider $W_ ext{S}$, the sign reversal could be related to 0--$π$ transitions and topological superconductivity.

연구 동기 및 목표

• 강한 라슈바 스핀오비트결합(SOC)을 가진 에피택시얼 알루미늄-인간화 주오슨 접합에서 평행자기장 방향에 따른 초전도 다이오드 효과(SDE)의 의존성을 조사하기 위해.
• 이러한 접합에서 SDE 부호 전환이 $0-\pi$ 전이 또는 위상적 초전도성과 관련이 있는지 규명하기 위해.
• SDE 부호 전환이 SOC에 기인한 임계전류 비대칭성인지, 또는 $0-\pi$-유사 기저상태 위상 점프인지의 기원을 구분하기 위해.
• 임계전류 최대치의 자기장 이동 $B_*$로부터 라슈바 SOC 강도를 추정하는 방법을 개발하기 위해.

제안 방법

• 초전도체 폭 $W_S$가 0.15에서 1.0 $\mu$m로 변하는 분자빔 에피택시얼 알루미늄-인간화 이종구조 기반의 평판형 주오슨 접합의 제작.
• 전류 방향에 수직인 평행자기장을 적용하면서 비상호적 임계전류 $I_c^+$와 $I_c^-$ 측정.
• 라슈바 SOC와 조잔 상호작용을 포함한 타이트버딩 시뮬레이션을 통해 초전류 및 기저상태 위상차 모델링.
• 낮은 자기장에서의 임계전류 행동에 대한 분석적 모델링을 수행하고, SOC 강도와 관련된 자기장 이동 $B_*$에 대한 식 유도.
• 실험적 SDE 부호 전환을 $0-\pi$ 전이 및 $qL = (2m+1)\pi/2$에서의 기저상태 위상점프와 비교 (여기서 $q$는 유한동량 코플러 쌍의 운동량임).
• 반도체 영역 외부의 자기장 분포를 고려하기 위해 조잔 필드를 $r_l = L/(2W_S + L)$로 재스케일링.

Figure 1: [Color online] (a) A schematic of a junction of length $L$ , width $W$ and superconducting width of $W_{S}$ fabricated on the Al-InAs heterostructure. The superconducting contacts are made of Al and the quantum well (QW) consists of a layer of InAs grown between two layers of In 0.81 Ga 0.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 알루미늄-인간화 주오슨 접합에서 평행자기장 하에서 SDE의 부호 전환이 무엇에 의해 발생하는가?
• RQ2 좁은 접합($W_S = 0.15\,\mu\text{m}$)에서 관측된 SDE 부호 전환이 $0-\pi$ 전이 또는 위상적 초전도성과 관련이 있는가?
• RQ3 초전도체 폭 $W_S$는 SDE 부호 전환의 메커니즘에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 임계전류 최대치의 자기장 이동 $B_*$로부터 라슈바 스핀오비트결합 강도를 추출할 수 있는가?
• RQ5 기저상태 위상차 $\phi_{GS}$는 SDE 행동 및 그 부호 전환에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 좁은 접합(JJ2, $W_S = 0.15\,\mu\text{m}$)에서 $B_y \approx \pm 0.35$ T에서 SDE의 부호 전환이 관측되었으며, 이는 $0-\pi$ 전이 또는 위상적 전이와 명백한 상관관계를 보이지 않았다.
• 좁은 접합에서의 SDE 부호 전환은 자기장 반전 하에서 SOC에 기인한 임계전류 비대칭성에 기인하며, 이는 자기장 이동 $B_*$ 중심에 위치한다.
• 더 넓은 접합(JJ1, $W_S = 0.6\,\mu\text{m}$)에서는 높은 자기장에서의 SDE 부호 전환이 $0-\pi$-유사 기저상태 위상점프와 일치하며, 이는 $B_y \approx \pm 0.6$ T에서 예측된다.
• 수치 시뮬레이션은 $B_y \approx 1$ T에서의 $0-\pi$ 전이가 $qL = (2m+1)\pi/2$에 해당함을 확인하여 기저상태 위상점프를 나타낸다.
• 임계전류 최대치의 측정된 $B_*$ 이동을 이용해 라슈바 SOC 강도를 추정하였으며, 이 결과는 이 시스템에 대해 이전에 보고된 값과 일치한다.
• 시간역전대칭성이 복귀함에 따라 영자기장에서 SDE가 사라지며, 또한 $\Delta I_c = 0$가 되는 특정 유한 자기장에서 대칭성이 복귀함을 나타내어 SDE가 사라진다.

Figure 2: [Color online] Absolute value of the critical currents as a function of the in-plane magnetic field for samples JJ1 (left column) and JJ2 (right column). Top and bottom rows correspond to an in-plane magnetic field parallel and perpendicular to the current, respectively. The blue circles r