[論文レビュー] Parity-conserving Cooper-pair transport and ideal superconducting diode in planar Germanium

Marco Valentini, Olivér Sági+17 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2023

Quantum and electron transport phenomena参考文献 63被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、アル spacerの下に浅いGe量子井戸を介して平面Geホール気体に近接誘起超伝導を示し、sin(2φ)電流位相関に見合うゲート/磁束可変のSQUID内の超伝導ダイオードを実現し、マイクロ波励起下で半整数のShapiroステップを観察する。

ABSTRACT

Superconductor/semiconductor hybrid devices have attracted increasing interest in the past years. Superconducting electronics aims to complement semiconductor technology, while hybrid architectures are at the forefront of new ideas such as topological superconductivity and protected qubits. In this work, we engineer the induced superconductivity in two-dimensional germanium hole gas by varying the distance between the quantum well and the aluminum. We demonstrate a hard superconducting gap and realize an electrically and flux tunable superconducting diode using a superconducting quantum interference device (SQUID). This allows to tune the current phase relation (CPR), to a regime where single Cooper pair tunneling is suppressed, creating a $\sin \left( 2 φ ight)$ CPR. Shapiro experiments complement this interpretation and the microwave drive allows to create a diode with 100% efficiency. The reported results open up the path towards integration of spin qubit devices, microwave resonators and (protected) superconducting qubits on a silicon technology compatible platform.

研究の動機と目的

• 平面Geを用いたハイブリッド超伝導体–半導体デバイスのためのシリコン互換プラットフォームを動機づける。
• スペーサー厚とゲート調整によって制御されるGeホール気体における近接誘起超伝導を示す。
• ゲートおよび磁束で調整可能なSQUIDを介した超伝導ダイオードを実証し、非正弦波状の電流位相関を誘発する。
• CPRの高調波と、単一Cooper-pair輸送が抑制される条件を調査する。
• 高次調波CPR成分の証拠として、マイクロ波駆動によるShapiroステップを探索する。

提案手法

• 18 nm Ge量子井戸を挟むSiGeスペーサー厚D(5 nmと8 nm)で、ひずみGe/SiGeヘテロ構造を成長させる。
• 外部にAlを蒸着して近接超伝導性を誘導し、トンネル分光法で誘起ギャップΔ*を評価する。
• ジョセソン結合とSQUID形状を作製し、ゲート電圧と磁束に対する再捕捉電流、CPRs、ダイオード効率ηを測定する。
• 結合部の高次諸波寄与を含むデバイスCPRをモデル化し、インダクタンスを含めて非対称なSQUIDパターンを再現する。
• マイクロ波励起下でShapiroステップを測定し、sin(2φ) CPR成分と一致する半整数ステップを同定する。

Figure 1: Proximity induced superconductivity in Planar Ge . a Heavy hole (HH) [light hole (LH)] band energies (black trace) [(grey trace)] along the growth direction $z$ simulated using NextNano. HHs are accumulated at the upper QW interface, as shown by the pink trace representing the HH wavefunct

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 浅い量子井戸と薄いスペーサーを用いて、平面Geホール気体において近接誘起超伝導を頑健に実現できるか。
• RQ2 Δ*はスペーサー厚DおよびAl近接にどう依存するか。
• RQ3 GeベースSQUIDでゲートおよび磁束で調整可能な超伝導ダイオードを実現できるか、また必要なCPR成分は何か。
• RQ4 どの条件下でsin(2φ) CPRが支配し、Cooper-pairのみの輸送を可能にするか。
• RQ5 Shapiroステップは、高次諸波CPRを示す半整数特性を示すか。

主な発見

• Ge/SiGeハイブリッドでΔ*が最大150 μeVを示す硬い超伝導ギャップを観測（サンプル D5）、親AlギャップΔ ≈ 230 μeV。
• トンネル分光はD5についてサブギャップ電導を約2桁抑制した硬いギャップを示す。
• ゲートおよび磁束で調整可能なSQUIDは、特定の磁束とゲート設定でη up to ~15%の超伝導ダイオード効果を示す。
• バランスJunction領域では、第一CPR高調波を抑制でき、sin(2φ)支配のCPRと単一Cooper対転送が抑制されるスウィートスポット条件を生む。
• Shapiro実験は、マイクロ波駆動下でφ/φ0 ≈ 0.5付近で半整数ステップを明らかにし、sin(2φ) CPR成分と一致する。
• マイクロ波駆動の非揮発性ダイオード動作は、特定の領域でη ≈ 1を達成できる。

Figure 2: Superconducting gap tunability. a Sketch of the proximity effect. Al has a superconducting parent gap $\Delta$ and it is coupled to the Ge hole gas. The coupling $t$ , and therefore the induced gap $\Delta^{*}$ , depends on the thickness of the SiGe tunnel barrier, i.e. on D. b Top-view sk