[論文レビュー] Planar Josephson Junctions Templated by Nanowire Shadowing

Po Zhang, A. Zarassi+17 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、半導体ナノワイヤをシャドウマスクとして用い、リソグラフィーを用いない方法で平面状のジョセフソン接合を形成する技術を提案する。この手法により、高品質な接合が実現され、界面の透過性が高く、自己整合的な電気的ゲートが可能となる。アルミニウム（Al）およびスニペット（Sn）を用いたInAs量子井戸上での実証により、臨界電流積が超伝導ギャップ（0.4 mVおよび0.86 mV）を超える結果が得られ、強固なプロキシミティ効果とチューナブルなジョセフソン振るまいが確認された。

ABSTRACT

More and more materials, with a growing variety of properties, are built into electronic devices. This is motivated both by increased device performance and by the studies of materials themselves. An important type of device is a Josephson junction based on the proximity effect between a quantum material and a superconductor, useful for fundamental research as well as for quantum and other technologies. When both junction contacts are placed on the same surface, such as a two-dimensional material, the junction is called ``planar". One outstanding challenge is that not all materials are amenable to the standard planar junction fabrication. The device quality, rather than the intrinsic characteristics, may be defining the results. Here, we introduce a technique in which nanowires are placed on the surface and act as a shadow mask for the superconductor. The advantages are that the smallest dimension is determined by the nanowire diameter and does not require lithography, and that the junction is not exposed to chemicals such as etchants. We demonstrate this method with an InAs quantum well, using two superconductors - Al and Sn, and two semiconductor nanowires - InAs and InSb. The junctions exhibit critical current levels consistent with transparent interfaces and uniform width. We show that the template nanowire can be operated as a self-aligned electrostatic gate. Beyond single junctions, we create SQUIDs with two gate-tunable junctions. We suggest that our method can be used for a large variety of quantum materials including van der Waals layers, topological insulators, Weyl semimetals and future materials for which proximity effect devices is a promising research avenue.

研究の動機と目的

• 感受性の高い量子材料への化学的および機械的損傷を回避するリソグラフィー非依存な平面状ジョセフソン接合のプロセス開発を目的とする。
• シャドウイングによるナノワイヤーをゲート電極として用いることで、自己整合的な電気的ゲート化を可能とする。
• AlおよびSn超伝導体を用いて、InAs量子井戸内の二次元電子気体（2DEGs）上に高品質なジョセフソン接合を実証すること。
• ゲートチューナブルな接合を有するSQUIDの作製を可能とし、非正弦波的電流-位相関係を解明すること。
• ヴァン・デル・ワールスヘテロ構造やトポロジカル絶縁体を含む、プロキシミティ効果デバイスに適合可能な量子材料の範囲を拡大すること。

提案手法

• ナノワイヤーは、ヴァン・デル・ワールス力によって2DEG基板上に転写され、超伝導体蒸着時にシャドウマスクとして機能する。
• AlまたはSnが2DEG上に蒸着され、ナノワイヤーの影に位置する領域では堆積が遮断され、接合幅が定義される。
• ナノワイヤーは、下部の2DEGとバックゲート構造を形成することで、自己整合的な電気的ゲートとして機能する。
• エッチングやリソグラフィーを一切行わず、2DEGへのダメージを最小限に抑え、界面の透過性を保持する。
• 本手法はAl/InAsおよびSn/InAsシステムに適用され、Sn蒸着は相互拡散を防ぐために80 Kで実施される。
• プロセス後、選択的湿式エッチングにより接合外の余分なSnおよびInAsが除去され、接合の完全性が保持される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノワイヤーのシャドウイングは、高界面透過性と最小限のプロセスダメージを有する平面状ジョセフソン接合を生成可能か？
• RQ2 シャドウイングによるナノワイヤーは、ゲートチューナブルな接合において自己整合的電気的ゲートとして機能可能か？
• RQ3 本手法で作製された接合は、$I_cR_N$ が超伝導ギャップを超えるか？ これは強いプロキシミティ結合を示唆する。
• RQ4 本手法は、AlおよびSnを含む複数の超伝導体およびInAs、InSbなどの異なる量子材料へ応用可能か？
• RQ5 非正弦波的電流-位相関係は、これらのデバイスにおけるSQUIDおよび単一接合の挙動にどのような影響を及えるか？

主な発見

• Al/InAs接合では、$I_cR_N$ = 0.4 mVを示し、Alの超伝導ギャップ（0.35 meV）を上回ることから、高い透過性と強固なプロキシミティ効果が示された。
• Sn/InAs接合では、$I_cR_N$ = 0.86 mVを示し、Snギャップ（0.6 meV）を著しく上回り、強いプロキシミティ結合が確認された。
• Sn接合の誘導ギャップは、$dI/dV$分光法による複数のアンドレーエフ反射ピークからΔ = 0.57 meVとして測定された。
• 2つのゲートチューナブルな接合を有するSQUIDでは、半磁束量子付近でひずみの強い2次調波成分を示すファウンドリー型の磁束モード変調が観測され、電流-位相関係の非正弦波的性質が示された。
• 本手法により、6枚のチップで60個以上のデバイスが再現可能であり、8回のドライアイス冷却プロセスで合計5700件のデータセットが収集された。
• 本技術は、ヴァン・デル・ワールスヘテロ構造、トポロジカル絶縁体、およびワイル半金属を含む多様な量子材料と適合可能であり、今後の異常な量子状態の探索に向けた基盤を提供する。