[論文レビュー] Flux-Tunable Josephson Diode Effect in a Hybrid Four-Terminal Josephson Junction

M. Coraiola, Aleksandr E. Svetogorov+11 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 47被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、InAs/Al二酸化体ヘテロ構造に基づくハイブリッド4端子ジョセフソン接合素子を用いて、磁束を調整可能なジョセフソンダイオード効果を実証した。独立した磁束とゲート電圧を印けることで、外部磁場や特異な材料を用いずに、大きさと符号の両方が調整可能な超伝導ダイオード効率 |η| ≈ 34% を達成した。これは、構造的に対称な構成における非正弦波的電流-位相差関係を有する二重SQUID（bi-SQUID）構成によって実現された。

ABSTRACT

We investigate the direction-dependent switching current in a flux-tunable four-terminal Josephson junction defined in an InAs/Al two-dimensional heterostructure. The device exhibits the Josephson diode effect, with switching currents that depend on the sign of the bias current. The superconducting diode efficiency, reaching a maximum of $|η|\approx34\%$, is widely tunable - both in amplitude and sign - as a function of magnetic fluxes and gate voltages. Our observations are supported by a circuit model of three parallel Josephson junctions with non-sinusoidal current-phase relation. With respect to conventional Josephson interferometers, phase-tunable multiterminal Josephson junctions enable large diode efficiencies in structurally symmetric devices, where local magnetic fluxes break both time-reversal and spatial-inversion symmetries. Our work establishes a pathway to develop Josephson diodes with wide-range tunability and that do not rely on exotic materials or externally applied magnetic fields.

研究の動機と目的

• 時間反転対称性および空間反転対称性を破るマルチ端子ジョセフソン接合素子における非可逆的超伝導電流の実証。
• 特異な材料や外部磁場に依存せずに、大きなかつ広範囲にわたって調整可能なジョセフソンダイオード効率を、構造的に対称なデバイスで達成すること。
• 位相調整可能な超伝導ループおよびゲート制御可能なアンドレーエフ束縁状態が、調整可能なダイオード動作を可能にする役割の解明。
• 非正弦波的電流-位相差関係を有する二重SQUID構成を用いた、観測された非可逆的輸送を説明する回路モデルの構築。

提案手法

• デバイスは、統合された磁束バイアスラインとゲート電極を有するInAs/Al二酸化体ヘテロ構造に作製された4端子ジョセフソン接合素子（4TJJ）である。
• 独立した磁束ライン電流（IL, IR）およびゲート電圧（VS, VL, VM, VR, VJ）を関数として、超伝導電流を測定し、位相差およびアンドレーエフ束縁状態の透過率を制御可能とした。
• システムは、それぞれが非正弦波的電流-位相差関係（CPR）を有する2つの並列SQUIDで構成される二重SQUID（bi-SQUID）としてモデル化された。このCPRは、高透過率のアンドレーエフ束縁状態に起因する。
• シミュレーションには、位相差ϕLおよびϕRを含む拡張された回路モデルが用いられ、磁束ライン電流から有効な磁束に至る線形変換が導入された。
• ダイオード効率ηは、正および負のバイアス電流下でのスイッチング電流I+swおよびI−swの測定から抽出された。
• 2ループおよび1ループの両方の構成で実験が行われ、追加の高臨界電流密度接合をゲートすることで1つのループをオフにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁束とゲート制御のみを用いて、対称的なマルチ端子ジョセフソン接合素子でジョセフソンダイオード効果を達成できるか？
• RQ2 外部磁場を要せず、ハイブリッド超伝導体-半導体4TJJで達成可能な最大の調整可能なダイオード効率はどの程度か？
• RQ3 超伝導ループによる位相調整が、ジョセフソンダイオード効果の符号および振幅にどのように影響するか？
• RQ4 ゲート電圧によるアンドレーエフ束縁状態の制御によって、ダイオード動作をどの程度制御できるか？
• RQ5 単純な二重SQUIDモデルは、本系で観測された非可逆的輸送を正確に再現できるか？

主な発見

• ジョセフソンダイオード効果は最大で|η| ≈ 34%に達し、対称的および非対称的なゲート電圧設定の両方で観測された。
• 磁束ライン電流およびゲート電圧の調整により、ダイオード効率は大きさと符号の両方で広範囲にわたって調整可能であり、ダイオード応答がゼロとなる領域も含まれる。
• 局所的な磁束によって時間反転対称性および空間反転対称性が破られることで、構造的に対称な幾何学でも強い非可逆性が実現された。
• 非正弦波的電流-位相差関係を有する二重SQUIDモデルは、実験的スイッチング電流トレースおよびダイオード効率マップを正確に再現した。
• 1つのループ構成でも、1つの接合をゲートで超伝導状態にすることでダイオード効果が持続し、位相調整可能な干渉の役割が確認された。
• 伝達率および位相緩和を含む現実的なパラメータを組み込んだ拡張モデルのシミュレーションは、複数のデバイス設定において実験データと定量的に一致した。