[논문 리뷰] Supercurrent through a spin-split quasi-ballistic point contact in an InAs nanowire

Juan Carlos Estrada Saldaña, Rok Žitko외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 05.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 34인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 강한 스핀-오비트 결합과 조잔 효과로 인한 스핀 분리 상태를 가진 준구배 InAs 나노와이어 조지프슨 접합에서 초전류의 비단조적 자기장 의존성을 보여준다. 임계 전류는 0에서 π 단계 전이 시점에서 사라지며, 더 높은 자기장에서 복귀한다. 이는 콜드 스크리닝과 스핀 분극화 이중체 상태 간의 경쟁으로 해석되며, 수치적 재규격화 군(NRG) 계산과 전도도 양자화 측정으로 확인된다.

ABSTRACT

We study the superconducting proximity effect in an InAs nanowire contacted by Ta-based superconducting electrodes. Using local bottom gates, we control the potential landscape along the nanowire, tuning its conductance to a quasi-ballistic regime. At high magnetic field ($B$), we observe approximately quantized conductance plateaus associated with the first two spin-polarized one-dimensional modes. For $B < 1$ T, the onset of superconductivity occurs in concomitance with the development of sizeable charge localization leading to a 0.7-type conductance anomaly. In this regime, the proximity supercurrent exhibits an unusual, non-monotonic $B$ dependence. We interpret this finding in terms of a competition between the Kondo effect, dominating near $B=0$, and the Zeeman effect, enforcing spin polarization and the emergence of a $π$ phase shift in the Josephson relation at higher $B$.

연구 동기 및 목표

• 고자기장 하에서 스핀 분리 상태가 존재하는 준구배 InAs 나노와이어의 초전도성 인접 효과를 조사하기 위해.
• 초전도성 접촉이 있는 1D 반도체 나노와이어에서 콜드 효과와 조잔에 의해 유도된 스핀 분극화 간의 상호작용을 탐구하기 위해.
• 스핀 분리 단일 수준 운반을 갖는 조지프슨 접합에서 임계 전류의 비단조적 자기장 의존성을 관측하고 해석하기 위해.
• 전도도 비정상성(0.7형)과 양자상전이를 통한 초전류 억제/복귀 간의 연관성을 설정하기 위해.

제안 방법

• 게이트 조절이 가능한 Ta 기반 초전도성 접촉을 갖춘 게이트 조절 가능한 InAs 나노와이어 장치를 제작하고, 잠재력 분포를 제어하기 위해 이중 바닥 게이트를 사용하였다.
• 국소적 바닥 게이트를 통해 나노와이어를 준구배 상태로 조절하여, 약 $0.9e^2/h$ 및 $1.8e^2/h$ 정도의 양자화된 전도도 플랫폼을 달 đạt하였다.
• 정상 상태 전도도와 자기장 및 게이트 전압에 따른 초전류를 측정하였으며, 직렬 저항 $R_s$ 보정을 적용하였다.
• 열 노이즈와 다중 안드레에브 반사 효과를 고려한 보정된 RCSJ 모델을 적용하여, $dI/dV$ 데이터로부터 임계 전류 $I_c$를 추출하였다.
• 게이트 전압에 따라 변하는 터널 결합을 갖는 앤더슨 유형 모델에 대해 수치적 재규격화 군(NRG) 계산을 수행하여 초전류 및 전도도를 시뮬레이션하였다.
• 초기 자기장에서 BCS 피크 간격을 통해 추출한 초전도 갭 $\Delta = 0.08$ meV는 Ta 필름의 $T_c$와 일치한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀 분리 상태가 유도된 준구배 InAs 나노와이어 조지프슨 접합에서 자기장이 변화할 때 초전류는 어떻게 행동하는가?
• RQ2 실험에서 관측된 임계 전류의 비단조적 자기장 의존성의 원인은 무엇인가?
• RQ3 낮은 자기장에서 관측되는 0.7형 전도도 비정상성은 초전류 억제 및 재활성화와 어느 정도 관련이 있는가?
• RQ4 관측된 임계 전류 행동은 스핀 싱เก릿에서 스핀 이중체 기저 상태로의 양자상전이에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ5 콜드 효과와 조잔 분리 간의 경쟁은 강한 스핀-오비트 결합을 갖는 1D 나노와이어에서 조지프슨 상태에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 초전류는 자기장에 대해 비단조적 의존성을 보이며, 0에서 π 단계 전이가 발생하는 임계 자기장에서 사라진다.
• 고자기장($B > 1$ T)에서는 $0.9e^2/h$ 및 $1.8e^2/h$ 전도도 플랫폼이 관측되어 스핀 분극화된 1차원 모드 존재를 확인한다.
• 낮은 자기장($B < 1$ T)에서는 전하 국소화로 인해 0.7형 전도도 비정상성이 나타나며, 이는 초전도성의 시작과 동시에 발생한다.
• 조잔 분리에 의해 스핀-1/2 이중체 기저 상태가 안정화되면서 고자기장에서 임계 전류가 복귀하며, 조지프슨 관계에서 π 단계 이동을 유도한다.
• NRG 시뮬레이션은 실험적 $I_c(B)$ 곡선을 재현하여, 스핀 싱게릿(0-위상)에서 스핀 이중체($\pi$-위상) 기저 상태로의 전이를 확인한다.
• 초전류는 전도도에서 좁은 영역의 영구차이 전압 피크로 나타나며, 너비는 약 몇 $\mu$eV 수준으로, $T = 15$ mK에서 열 에너지와 비슷한 작은 조지프슨 에너지와 일치한다.