[논문 리뷰] The gate-tunable Josephson diode

G. P. Mazur, N. van Loo외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 25.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 인산화갈륨 나노와이어 기반 주오슨 접합에서 전자기적 게이팅을 통해 초전도 다이오드 효과(SDE)를 제어할 수 있는 게이트 조절이 가능한 주오슨 다이오드를 보여준다. 반도체 약한 연결부와 프록시마티즈드 도핑된 도핑선의 전자기적 게이팅을 통해 초전도 다이오드 효과를 완전히 제어할 수 있으며, SDE는 게이트 전압에 의해 강하게 조절되며 특정 외면자기장 각도에서 최대 효율을 보이며, 이는 스핀-오비트 장 방향으로 해석된다. 이 효과는 평행 자기장 조건에서도 유지되며, 초전도 양자 회로에서 전기적 제어가 가능한 비대칭 임계 전류를 실현한다.

ABSTRACT

Superconducting diodes are a recently-discovered quantum analogueue of classical diodes. The superconducting diode effect relies on the breaking of both time-reversal and inversion symmetry. As a result, the critical current of a superconductor can become dependent on the direction of the applied current. The combination of these ingredients naturally occurs in proximitized semiconductors under a magnetic field, which is also predicted to give rise to exotic physics such as topological superconductivity. In this work, we use InSb nanowires proximitized by Al to investigate the superconducting diode effect. Through shadow-wall lithography, we create short Josephson junctions with gate control of both the semiconducting weak link as well as the proximitized leads. When the magnetic field is applied perpendicular to the nanowire axis, the superconducting diode effect depends on the out-of-plane angle. In particular, it is strongest along a specific angle, which we interpret as the direction of the spin-orbit field in the proximitized leads. Moreover, the electrostatic gates can be used to drastically alter this effect and even completely suppress it. Finally, we also observe a significant gate-tunable diode effect when the magnetic field is applied parallel to the nanowire axis. Due to the considerable degree of control via electrostatic gating, the semiconductor-superconductor hybrid Josephson diode emerges as a promising element for innovative superconducting circuits and computation devices.

연구 동기 및 목표

• 반도체-초전도체 하이브리드 주오슨 접합에서 초전도 다이오드 효과(SDE)의 전자기적 제어를 보여주기 위해.
• 프록시마티즈드 도핑선과 반도체 약한 연결부의 전자 밀도 기여를 분리하여 SDE에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 외면자기장 및 평행 자기장 조건에서 SDE의 특성과 게이트 전압에 의한 조절 가능성에 대해 연구하기 위해.
• 장치를 주오슨 필드효과 트랜지스터로 구현하고, 양자 회로 응용 분야에서 조절 가능한 초전도 다이오드로 활용 가능성을 확립하기 위해.
• 게이트 전압 의존 측정을 통해 SDE의 미세구조 기원을 탐색하고, 유한동량 안드레이브 구속 상태와 연관지기 위해.

제안 방법

• 반도체 약한 연결부와 프록시마티즈드 도핑선에 이중 전자기 게이팅을 적용한 영향력 있는 쉐이드월 리소그래피 기반의 짧은 InSb/Al 주오슨 접합의 제작.
• 시간역전 대칭성과 반전 대칭성을 깨뜨리기 위해 나노와이어 축에 수직 및 평행한 자기장을 적용하여 SDE를 유도.
• 역전류 극성 조건에서의 스위칭 전류 측정을 통해 비대칭성의 정도를 정량화하고 다이오드 효율을 추출.
• 약한 연결부와 도핑선의 전자 밀도를 독립적으로 게이트 전압으로 조절하여 SDE에 미치는 영향을 체계적으로 분석.
• 전류-위상 관계와 SDE의 각도 의존성 분석을 통해 스핀-오비트 장 방향과 안드레이브 구속 상태 물리학의 역할을 추론.
• 스핀-오비트 결합 시스템에서 유한동량 쿠퍼 쌍과 안드레이브 구속 상태를 통한 SDE 예측 이론 모델과 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반도체 약한 연결부와 프록시마티즈드 도핑선의 전자기적 게이팅은 초전도 다이오드 효과의 크기와 방향성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 스핀-오비트 장 방향은 SDE의 각도 의존성에 어떤 역할을 하는가? 게이트 전압으로 조절 가능한가?
• RQ3 자기장이 나노와이어 축에 평행하게 적용될 경우 SDE는 유지되는가? 게이트 제어로 어떻게 조절되는가?
• RQ4 관측된 SDE는 유한동량 안드레이브 구속 상태에 기인하는가? 기존의 진지-랜다우 또는 다른 이론 프레임워크와 비교해 볼 때 어떤가?
• RQ5 이 장치는 양자 회로 응용 분야에서 주오슨 필드효과 트랜지스터와 조절 가능한 초전도 다이오드로서 얼마나 유연하게 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 초전도 다이오드 효과는 전자기적 게이팅을 통해 강하게 조절 가능하며, 최대 다이오드 효율은 특정 외면자기장 각도에서 발생하며, 이는 프록시마티즈드 도핑선 내 스핀-오비트 장 방향으로 해석된다.
• 프록시마티즈드 도핑선의 높은 전자 밀도는 SDE 최적 각도를 고정시키며, 반도체 약한 연결부의 게이트 전압 조절은 이 각도를 이동시켜, 구속과 SOI의 게이트 제어 가능성을 시사한다.
• SDE는 평행 자기장 조건에서도 유지되며, 자기장이 전류 흐름과 평행할 때도 비대칭 임계 전류를 보여주어 장치의 작동 영역을 확장한다.
• 스위칭 전류와 SDE 효율은 접합의 게이트 조절 투과도와 모드 수에 비례하며, 이는 안드레이브 구속 상태 스펙트럼에 대한 강력한 전자기적 제어를 시사한다.
• 위상 이동은 구속 또는 제만 분리에 기인할 수 있으며, 이는 SDE 극성의 부호 변화와 일치하며, 이론적 예측과 일치한다.
• 장치는 주오슨 필드효과 트랜지스터로 기능하며, 게이트 조절 가능한 스위칭 전류를 제공하여 초전도 양자 전자회로의 다용도 구성 요소로 자리매김한다.