[论文解读] The gate-tunable Josephson diode

G. P. Mazur, N. van Loo+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 17

一句话总结

本论文展示了基于InSb纳米线的约瑟夫森结中，通过电场调控实现的约瑟夫森二极管效应，其中对半导体弱连接区和近邻超导化电极的电场栅控，实现了对超导二极管效应（SDE）的完全控制。SDE随栅压强烈调制，在特定的垂直磁场角度下达到最大效率，该角度被解释为自旋-轨道场的方向，且即使在面内磁场下仍能保持，实现了对超导量子电路中非互易临界电流的可调控制。

ABSTRACT

Superconducting diodes are a recently-discovered quantum analogueue of classical diodes. The superconducting diode effect relies on the breaking of both time-reversal and inversion symmetry. As a result, the critical current of a superconductor can become dependent on the direction of the applied current. The combination of these ingredients naturally occurs in proximitized semiconductors under a magnetic field, which is also predicted to give rise to exotic physics such as topological superconductivity. In this work, we use InSb nanowires proximitized by Al to investigate the superconducting diode effect. Through shadow-wall lithography, we create short Josephson junctions with gate control of both the semiconducting weak link as well as the proximitized leads. When the magnetic field is applied perpendicular to the nanowire axis, the superconducting diode effect depends on the out-of-plane angle. In particular, it is strongest along a specific angle, which we interpret as the direction of the spin-orbit field in the proximitized leads. Moreover, the electrostatic gates can be used to drastically alter this effect and even completely suppress it. Finally, we also observe a significant gate-tunable diode effect when the magnetic field is applied parallel to the nanowire axis. Due to the considerable degree of control via electrostatic gating, the semiconductor-superconductor hybrid Josephson diode emerges as a promising element for innovative superconducting circuits and computation devices.

研究动机与目标

• 展示在半导体-超导体异质结约瑟夫森结中，通过电场调控超导二极管效应（SDE）的实现。
• 分离近邻超导化电极中电子密度与半导体弱连接区对SDE的贡献。
• 研究在垂直磁场与面内磁场下的SDE，包括其通过栅压实现的可调性。
• 确立该器件作为约瑟夫森场效应晶体管及用于量子电路应用的可调超导二极管。
• 通过门依赖测量探测SDE的微观起源，并将其与有限动量的Andreev束缚态联系起来。

提出的方法

• 采用遮蔽墙光刻工艺制备短InSb/Al约瑟夫森结，其在半导体弱连接区和近邻超导化电极上均设有双电场栅。
• 施加垂直于纳米线轴线和平行于轴线的磁场，以破缺时间反演对称性与空间反演对称性，从而实现SDE。
• 通过反向电流极性测量切换电流，量化非互易性并提取二极管效率。
• 利用栅压独立调控弱连接区与电极中的电子密度，实现对SDE影响的系统性研究。
• 分析电流-相位关系及SDE的角依赖性，推断自旋-轨道场方向与Andreev束缚态物理的作用。
• 与理论模型对比，该模型预测在自旋-轨道耦合系统中，通过有限动量的库珀对与Andreev束缚态可实现SDE。

实验结果

研究问题

• RQ1 对半导体弱连接区与近邻超导化电极的电场栅控，如何影响超导二极管效应的大小与方向性？
• RQ2 自旋-轨道场方向在决定SDE角依赖性中起什么作用？其是否可通过栅压实现调控？
• RQ3 当磁场方向平行于纳米线轴线时，SDE是否仍能维持？其又如何受栅压调控？
• RQ4 所观测到的SDE是否可归因于有限动量的Andreev束缚态？与Ginzburg-Landau或其他理论框架相比有何异同？
• RQ5 该器件在量子电路应用中，作为约瑟夫森场效应晶体管与可调超导二极管的适用程度如何？

主要发现

• 通过电场栅控，超导二极管效应可被强烈调制，最大二极管效率出现在特定的垂直磁场角度，该角度被解释为近邻超导化电极中自旋-轨道场的方向。
• 近邻超导化电极中较高的电子密度固定了SDE最大值的最优角度；而通过调节半导体弱连接区的栅压，可移动该最优角度，表明栅压对局域化与自旋-轨道相互作用的控制能力。
• SDE在面内磁场下仍能保持，表明即使磁场方向与电流流动方向平行，也能实现非互易临界电流，拓展了器件的工作范围。
• 切换电流与SDE效率随栅压调控的结透射率和模式数变化，表明对Andreev束缚态谱具有强电场控制能力。
• 电流-相位关系中的相位移动（可能源于局域化或Zeeman分裂）与SDE极性的符号变化相关，与理论预测一致。
• 该器件可作为约瑟夫森场效应晶体管工作，实现栅压可调的切换电流，使其成为超导量子电子学中一种多功能基础元件。