[논문 리뷰] Gate-tunable Superconducting Diode Effect in a Three-terminal Josephson Device

Mohit Gupta, Gino V. Graziano외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 16.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 에pitaxial 알루미늄으로 프록시마티즈된 InAs 이중차원 전자기체를 기반으로 한 세 단자 조지프슨 장치에서, 작은 수직 자기장에 의해 유도된 고조파 성분이 포함된 공학적 전류-위상 관계에 의해 유도되는 게이트 조절이 가능한 초전도 다이오드 효과를 실험적으로 입증한다. 이 효과는 비대칭 초전류의 크기와 부호를 완전히 전자기적으로 제어할 수 있게 하며, 에너지 손실이 없는 전자기기 및 토폴로지 큐비트 응용 가능성을 지닌다.

ABSTRACT

The phenomenon of non-reciprocal critical current in a Josephson device, termed the Josephson diode effect, has garnered much recent interest. Realization of the diode effect requires inversion symmetry breaking, typically obtained by spin-orbit interactions. Here we report observation of the Josephson diode effect in a three-terminal Josephson device based upon an InAs quantum well two-dimensional electron gas proximitized by an epitaxial aluminum superconducting layer. We demonstrate that the diode efficiency in our devices can be tuned by a small out-of-plane magnetic field or by electrostatic gating. We show that the Josephson diode effect in these devices is a consequence of the artificial realization of a current-phase relation that contains higher harmonics. We also show nonlinear DC intermodulation and simultaneous two-signal rectification, enabled by the multi-terminal nature of the devices. Furthermore, we show that the diode effect is an inherent property of multi-terminal Josephson devices, establishing an immediately scalable approach by which potential applications of the Josephson diode effect can be realized, agnostic to the underlying material platform. These Josephson devices may also serve as gate-tunable building blocks in designing topologically protected qubits.

연구 동기 및 목표

• 내재된 물질적 특성이나 큰 인덕성에 의존하지 않고 세 단자 조지프슨 장치에서 게이트 조절이 가능한 조지프슨 다이오드 효과를 입증하는 것.
• 다이오드 효과가 자기장과 전자기 게이팅에 의해 유도된 합성 고조파 전류-위상 관계에서 기인한다는 것을 확립하는 것.
• 다이오드 효율성과 극성이 전자기적으로 조절 가능하여 양방향 전압 응답 간의 가역적 스위칭이 가능하다는 것을 보여주는 것.
• 다중 단자 장치에서 비선형 신호 정류 및 교차 주파수 성분을 실험적으로 입증하여 신호 처리 및 뉴로모픽 아키텍처에의 잠재적 응용 가능성을 제시하는 것.
• 토양 큐비트 양자 컴퓨팅에 적용 가능한 확장 가능한, 물질에 종속되지 않는 플랫폼을 구축하는 것.

제안 방법

• 10 nm 두께의 알루미늄 초전도층으로 에pitaxial 프록시마티즈된 InAs 이중차원 전자기체(2DEG)를 사용하여 세 단자 조지프슨 장치를 제작하는 것.
• Y자형 알루미늄 접합의 각 다리에 Ti/Au 상부 게이트를 도포하여 단자 간의 결합을 독립적으로 조절하고 국소 초전도 위상 제어를 수행하는 것.
• 시간역행 대칭성을 깨뜨리고 전류-위상 관계(CPR)의 고조파 성분 간 위상 차이를 유도하기 위해 작은 수직 자기장을 적용하는 것.
• 자기장에 의해 유도된 위상 이동으로 인해 합성 고조파 CPR(sinusoidal φ 및 sin(3φ) 항 포함)이 생성됨을 시뮬레이션하여 비대칭 임계전류의 기원을 규명하는 것.
• 정방향 및 역방향 전류 투과 조건에서 미분 저항과 임계전류 비대칭성을 측정하여 다이오드 효율을 정량화하는 것.
• 기능 함수 발생기와 락인 검출기를 활용하여 다중 단자 기하구조의 특성을 이용해 비선형 DC 교차 주파수 성분 및 이중 신호 정류를 실험적으로 구현하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내재된 스핀-오비트 결합이나 큰 인덕성에 의존하지 않고 세 단자 조지프슨 장치에서 조지프슨 다이오드 효과를 실현할 수 있는가?
• RQ2 전자기 게이팅은 이러한 장치에서 비대칭 임계전류의 크기와 부호에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 플랫폼에서 다이오드 효과의 기원은 무엇인가—특히 고조파 성분이 공학적으로 조절된 전류-위상 관계 때문인가?
• RQ4 오직 전자기 게이팅 또는 작은 자기장을 이용해 다이오드 효과를 양방향 극성 간에 가역적으로 스위칭할 수 있는가?
• RQ5 장치의 다중 단자 특성은 정류 및 교차 주파수 성분과 같은 비선형 신호 처리 기능을 어느 정도 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 세 단자 InAs/Al 이방성 구조 장치에서 다이오드 효율(Q)이 전자기 게이팅과 작은 수직 자기장에 의해 조절 가능한 것으로 측정되었으며, 조지프슨 다이오드 효과가 관측되었다.
• 비대칭 임계전류는 자기장에 의해 유도된 위상 차이로 인해 고조파 성분(sinusoidal φ 및 sin(3φ))을 포함하는 합성 전류-위상 관계에서 기인한다.
• 다이오드 극성(즉, 어느 방향 전압에서 더 높은 임계전류가 발생하는지)은 작은 자기장(~수 μT) 또는 게이트 전압 조절을 통해 스위칭 가능하여 완전한 전기적 제어가 가능하다.
• 장치는 비선형 DC 교차 주파수 성분과 동시에 두 개의 신호 정류를 나타내며, 이는 다중 단자 기하구조와 CPR의 비선형성 덕분이다.
• 저온에서 다이오드 효과는 안정적이며, 200 mK 이하에서 임계전류 포화 현상이 관측되어 열변동에 대한 저항성이 있음을 시사한다.
• 기계적 메커니즘은 물질에 종속되지 않으며, 일반적인 sin(φ) CPR를 가진 시스템이라면 외부 필드나 기하학적 구조를 통해 고조파 성분을 도입함으로써 다이오드 효과를 실현할 수 있다.