[논문 리뷰] Superconductor-ferromagnet hybrids for non-reciprocal electronics and detectors

Zhuoran Geng, Alberto Hijano외 17명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 24.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 129인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 알루미늄/ europium sulfide/ copper (Al/EuS/Cu) 및 EuS/Al/Co 기반 장치를 포함한 초전도체-자성체 하이브리드 구조를 제안하며, 이는 X선 및 테라헤르츠 복사에 대해 자기적 비대칭성과 스핀 선택적 터널링을 활용하여 외부 전원 없이도 자체적으로 비편향(non-reciprocal)으로 작동하는 감지기이다. 이러한 장치는 자기적 인접 효과와 스핀 선택적 터널링을 통해 외부 전원이 없이도 열전전압을 생성하며, 높은 감도를 가지며 냉각 조건에서의 감지에 적합하고 다중 읽기 및 비대칭 전자기기 통합 가능성이 있다.

ABSTRACT

# Data for the manuscript "Superconductor-ferromagnet hybrids for non-reciprocal electronics and detectors", submitted to Superconductor Science and Technology, arXiv:2302.12732. This archive contains the data for all plots of numerical data in the manuscript. ## Fig. 4 <br> Data of Fig. 4 in the WDX (Wolfram Data Exchange) format (unzip to extract the files). Contains critical exchange fields and critical thicknesses as functions of the temperature. Can be opened with Wolfram Mathematica with the command: Import[FileNameJoin[{NotebookDirectory[],"filename.wdx"}]] ## Fig. 5<br> Data of Fig. 5 in the WDX (Wolfram Data Exchange) format (unzip to extract the files). Contains theoretically calculated I(V) curves and the rectification coefficient R of N/FI/S junctions. Can be opened with Wolfram Mathematica with the command Import[FileNameJoin[{NotebookDirectory[],"filename.wdx"}]]. ## Fig. 7a<br> Data of Fig. 7a in the ascii format. Contains G in uS as a function of B in mT and V in mV. ## Fig. 7c<br> Data of Fig. 7c in the ascii format. Contains G in uS as a function of B in mT and V in mV. ## Fig. 7e<br> Data of Fig. 7e in the ascii format. Contains G in uS as a function of B in mT and V in mV. The plots 7b, d, and f are taken from the plots a, c and e as indicated in the caption of the figure. ## Fig. 8<br> Data of Fig. 8 in the ascii format. Contains G in uS as a function V in mV for several values of B in mT. ## Fig. 8 inset<br> Data of Fig. 8 inset in the ascii format. Contains G_0/G_N as a function of B in mT. ## Fig9a_b First raw Magnetic field values in T, first column voltage drop in V, <br> rest of the columns differential conductance in S ## Fig9b_FIT First raw Magnetic field values in T, first column voltage drop in V, <br> rest of the columns differential conductance in S ## Fig9c First raw Magnetic field values in T, first column voltage drop in V, <br> rest of the columns R (real number) ## Fig9c inset First raw Magnetic field values in T, odd columns voltage drop in V, <br> even columns injected current in A ## Fog9d Foist column magnetic field in T, second column conductance ration (real <br> number), sample name in the file name. ## Fig. 12<br> Data of Fig. 12 in the ascii format. Contains energy resolution as functions of temperature and tunnel resistance with current and voltage readout. ## Fig. 13<br> Data of Fig. 13 in the ascii format. Contains energy resolution as functions of (a) exchange field, (b) polarization, (c) dynes, and (d) absorber volume with different amplifier noises. ## Fig. 14<br> Data of Fig. 14 in the ascii format. Contains detector pulse current as functions of (a) temperature change (b) time with different detector parameters. <br> ## Fig. 17<br> Data of Fig. 17 in the ascii format. Contains dIdV curves as function of the voltage for different THz illumination frequency and polarization. ## Fig. 18<br> Data of Fig. 18 in the ascii format. Contains the current flowing throughout the junction as function time (arbitrary units) for ON and OFF illumination at 150 GHz for InPol and CrossPol polarization. ## Fig. 21<br> Data of Fig. 21c in the ascii format. Contains the magnitude of readout line S43 as frequency.<br> Data of Fig. 21d in the ascii format. Contains the magnitude of iKID line S21 as frequency.

연구 동기 및 목표

• 초전도체-자성체 하이브리드 구조를 이용하여 비대칭 전자 부품 및 자체적으로 비편향되는 복사 감지기를 개발한다.
• 초전도체 전자기기에서의 내재적 비대칭 성분 부족 문제를 해결하기 위해 자기적 인접 효과에 의한 전자-홀 대칭성 파괴를 시도한다.
• 고에너지 해상도와 낮은 노이즈를 갖춘 실용적인 자기 전원 감지기로서 X선 및 테라헤르츠 복사 감지기를 실현한다.
• 평면형 초전도성 인덕성 및 3차원 집중형 커패시터를 활용하여 확장 가능한 센서 어레이를 위한 다중 읽기 기술을 실현한다.
• 신규 양자 장치를 위한 스핀 선택적 운반 및 열전현상의 기본 물리학을 탐구한다.

제안 방법

• 특히 Al/EuS/Cu 및 EuS/Al/Co를 포함한 초전도체-자성체 절연체(S/FI) 이중막을 이용하여 전자-홀 대칭성을 깨고 비대칭 운반을 유도한다.
• 현장에서의 그림자 증착 및 진공을 유지한 제조 기술을 활용하여 고품질의 대면적 접합을 실현하고 자기적 인접 효과를 제어한다.
• 스펙트럼 분석 및 노이즈 측정을 통해 교환 분열 및 터널링 특성을 분석하여 접합 품질을 최적화하고 잠재적 금속 상태를 최소화한다.
• 나노소재로 구성된 흡수체와 접합부를 갖춘 평면형 안테나를 설계하여 테라헤르츠 감지 효율을 높이고 열 간섭을 줄인다.
• 나노와이어 기반 읽기 및 3차원 집중형 커패시터를 포함한 다중 읽기 기술을 적용하여 확장 가능한 고밀도 감지 어레이를 실현한다.
• 자기적 인접 효과 및 스핀트로닉스 이론 프레임워크를 기반으로 한 스핀 선택적 터널 접합 모델을 사용하여 열전응답 및 비대칭 전류-전압 특성을 분석한다.

Figure 1: Density of states (solid line) and charge carrier density (shaded region) in thermal equilibrium for a (a) p-n junction and (b) spin-split S/N tunnel junction. The dashed lines in panel (b) represent the density of states of the filtered states. Here $\mu_{p}$ and $\mu_{n}$ are the quasi-c

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기적 인접 효과를 활용하여 초전도체-자성체 이종구조에서 비대칭 운반을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 어떤 재료와 제조 기술이 고감도 감지기의 최적 스핀 선택적 터널링과 최소한의 잠재적 금속 상태를 제공하는가?
• RQ3 에너지 해상도가 기존 기술과 경쟁 가능한 X선 및 테라헤르츠 주파수에서 자기 전원, 비편향 감지기를 실현할 수 있는가?
• RQ4 신호 대 잡음비를 손상시키지 않고 이러한 자기 전원 감지기의 다중 읽기를 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ5 이러한 하이브리드 시스템에서 열전응답과 비대칭성의 기본 한계는 무엇이며, 이를 새로운 양자 장치에 활용할 수 있는가?

주요 결과

• Al/EuS/Cu 및 EuS/Al/Co 기반 감지기는 자기적 인접 효과에 의해 초전도체 상태 밀도가 스핀 분열되면서 강한 비대칭 전류-전압 특성을 나타낸다.
• 장치는 복사 흡수 시 직접적으로 열전전압을 생성하여 외부 전원 전류나 전압 없이도 자체적으로 비편향 작동이 가능하다.
• 노이즈 분석 결과, 낮은 잠재적 금속 상태 밀도(Γ ≲ 10⁻²Δ)를 갖는 접합부가 특히 X선 감지에서 고에너지 해상도를 확보하기 위해 필수적이다.
• X선 에너지 해상도는 흡수체 내 진동수의 음파 수명에 의해 제한되며, 흡수체를 떠받치는 방식으로 조절하면 조기 음파 유출을 줄이고 해상도를 향상시킬 수 있다.
• 평면형 초전도성 인덕성 및 3차원 집중형 커패시터는 감지 어레이의 효과적인 다중 읽기를 가능하게 하며, 확장 가능한 냉각 조건에서의 읽기 기술 가능성을 지닌다.
• 이론적 및 실험적 결과는 이러한 시스템이 일관된 칼로리트로닉스, 열 기반 논리, 스핀 전류 혼합과 같은 새로운 현상을 지닐 수 있음을 확인하며, 차세대 양자 전자기기로의 길을 열어준다.

Figure 2: Schematic idea for biasless detection based on thermoelectricity. Absorbed light with power $P_{\gamma}$ heats up one part of the heterostructure, creating a temperature difference $\Delta T$ , which results in a thermoelectric current $I=\alpha\Delta T/T\propto P_{\gamma}$ .