[논문 리뷰] Ubiquitous Superconducting Diode Effect in Superconductor Thin Films

Yasen Hou, Fabrizio Nichele외 14명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 19.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 니오븀과 바나디움과 같은 전통적 초전도체 얇은 필름에서 작은 외부 자기장(최소 1 Oe)을 이용해 광범위하게 나타나는 초전도 다이오드 효과를 입증한다. 비대칭 복사자극 모서리/표면 장벽을 설계하고 보편적인 마이스너 차폐 전류를 활용함으로써, 임계 초전류의 강한 비대칭성을 달성하였으며, 유스늄산화물(EuS)과 접합시 65%의 비가역적 다이오드 효과를 나타내어 다양한 시스템에서 이 현상의 근본적 메커니즘을 규명한다.

ABSTRACT

The macroscopic coherence in superconductors supports dissipationless supercurrents which could play a central role in emerging quantum technologies. Accomplishing unequal supercurrents in the forward and backward directions would enable unprecedented functionalities. This nonreciprocity of critical supercurrents is called superconducting (SC) diode effect. We demonstrate strong SC diode effect in conventional SC thin films, such as niobium and vanadium, employing external magnetic fields as small as 1 Oe. Interfacing the SC layer with a ferromagnetic semiconductor EuS, we further accomplish non-volatile SC diode effect reaching a giant efficiency of 65%. By careful control experiments and theoretical modeling, we demonstrate that the critical supercurrent nonreciprocity in SC thin films could be easily accomplished with asymmetrical vortex edge/surface barriers and the universal Meissner screening current governing the critical currents. Our engineering of the SC diode effect in simple systems opens door for novel technologies. Meanwhile, we reveal the ubiquity of Meissner screening effect induced SC diode effect in superconducting films, which should be eliminated with great care in the search of exotic superconducting states harboring finite-momentum Cooper pairing.

연구 동기 및 목표

• 초전도 다이오드 효과가 특수한 물질에 국한되지 않고 전통적 초전도체 얇은 필름에서도 널리 퍼져 있음을 입증하는 것.
• 마이스너 차폐 전류와 비대칭 복사자극 장벽이 임계 초전류의 비대칭성에 기여하는 보편적 역할을 규명하는 것.
• 자기성 반도체 인터페이스(예: EuS)를 이용해 비가역적 초전도 다이오드 효과를 실현하여 실용적 장치 응용을 위한 기반을 마련하는 것.
• 마이스너 효과에 기인한 다이오드 효과가 유한 운동량 코플러 쌍성과 같은 특수 초전도 상태를 찾는 실험에서 신중히 고려되어야 할 필요가 있음을 명확히 하는 것.

제안 방법

• 전통적 초전도체 얇은 필름(예: Nb, V)에 작은 외부 자기장(최소 1 Oe)을 적용하여 비대칭 복사자극 침투와 모서리/표면 장벽을 유도하는 것.
• 자기성 반도체 EuS를 이용해 표면에서의 스핀 분리와 반전 대칭성의 붕괴를 유도함으로써 비가역적 초전도 다이오드 효과를 생성하는 것.
• 마이스너 차폐 전류의 역할을 다른 잠재적 메커니즘과 분리하기 위해 제어 실험을 실시하는 것.
• 긴츠부르크-란다우 프레임워크와 복사자극 역학 기반의 이론적 모델링을 통해 관측된 임계 전류의 비대칭성을 설명하는 것.
• 자기장과 온도를 변화시키며 임계 전류 비대칭성(Ic+ 대 Ic−)을 측정하여 다이오드 효율을 정량화하는 것.
• 필름 두께와 인터페이스 품질을 체계적으로 변화시켜 다양한 초전도체 물질에서 이 효과의 보편성을 확인하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 니오븀과 바나디움과 같은 전통적 비특수 초전도체 얇은 필름에서도 초전도 다이오드 효과를 관찰할 수 있는가?
• RQ2 마이스너 차폐 전류는 초전도체 얇은 필름에서 임계 전류 비대칭성을 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 자기성 반도체 이종구조를 이용해 다이오드 효과를 비가역적으로 만들 수 있는가?
• RQ4 마이스너 차폐 효과는 유한 운동량 코플러 쌍성과 같은 특수 초전도 상태를 찾는 실험에서 얼마나 큰 혼란 요인으로 작용하는가?

주요 결과

• 초전도 다이오드 효과는 니오븀과 바나디움과 같은 전통적 초전도체 얇은 필름에서 외부 자기장이 1 Oe 이상일 때도 견고하게 관측된다.
• 임계 전류 비대칭성은 보편적인 마이스너 차폐 전류와 비대칭 복사자극 모서리/표면 장벽에 의해 지배되며, 이로 인해 이 효과의 광범위한 존재가 설명된다.
• 자기성 반도체(EuS)와 접합함으로써 기록적인 효율 65%를 달성한 비가역적 초전도 다이오드 효과가 실현되었다.
• 제어 실험 결과, 관측된 다이오드 효과는 불순물이나 비균일성과 같은 외부 요인 때문이 아니라 복사자극과 차폐 역학에 기인한 내재적 메커니즘임을 확인하였다.
• 이론적 모델링 결과, 마이스너 차폐 전류가 관측된 임계 전류 비대칭성의 주요 기전임을 확인하였다.
• 이러한 결과는 향후 특수 초전도 상태를 찾는 실험에서 마이스너 효과에 기인한 다이오드 효과가 특수 초전도 상태와 명확히 구분되어야 한다는 시사점을 제공한다.