[论文解读] Diode effect in Josephson junctions with a single magnetic atom

Martina Trahms, Larissa Melischek+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 5

一句话总结

本研究通过在扫描隧道显微镜形成的Pb–Pb约瑟夫森结中插入一个单个磁性原子，实现了原子尺度的超导二极管。由于通过自旋极化Yu-Shiba-Rusinov (YSR) 态的准粒子电流，产生了非互易超电流，且该二极管效应的大小和方向可通过原子种类调节，实现了在全可调平台上对非互易超电流的单原子控制。

ABSTRACT

Current flow in electronic devices can be asymmetric with bias direction, a phenomenon underlying the utility of diodes and known as non-reciprocal charge transport. The promise of dissipationless electronics has recently stimulated the quest for superconducting diodes, and non-reciprocal superconducting devices have been realized in various non-centrosymmetric systems. Probing the ultimate limits of miniaturization, we have created atomic-scale Pb--Pb Josephson junctions in a scanning tunneling microscope. Pristine junctions stabilized by a single Pb atom exhibit hysteretic behavior, confirming the high quality of the junctions, but no asymmetry between the bias directions. Non-reciprocal supercurrents emerge when inserting a single magnetic atom into the junction, with the preferred direction depending on the atomic species. Aided by theoretical modelling, we trace the non-reciprocity to quasiparticle currents flowing via Yu-Shiba-Rusinov (YSR) states inside the superconducting energy gap. Our results open new avenues for creating atomic-scale Josephson diodes and tuning their properties through single-atom manipulation.

研究动机与目标

• 在无外加磁场的条件下，实现在原子尺度约瑟夫森结中的非互易超电流。
• 研究单个磁性原子在破坏反演对称性及在超导电路中实现二极管行为中的作用。
• 确定原子尺度超电流输运中非互易性的微观起源。
• 通过单原子操纵和磁性吸附原子种类的选择，展示二极管效应的可调性。
• 为以原子精度探测超导纳米结构中的准粒子输运机制提供一个测试平台。

提出的方法

• 利用超导扫描隧道显微镜（STM）针尖在Pb(111)表面制备原子尺度的Pb–Pb约瑟夫森结。
• 通过STM基操纵将单个磁性原子（Pb、Cr、Mn）插入结中，形成单原子结。
• 进行电流偏置的$V-I$测量，观察到滞后切换和俘获电流，表明存在非互易行为。
• 通过拟合并减去约瑟夫森峰（使用经验模型，公式6），从电压偏置的$I-V$曲线中提取准粒子电流$I_{\textrm{qp}}(V)$。
• 使用阻尼并联结（RSJ）模型（公式4）进行理论模拟，以生成$V-I$曲线并分析不对称性的起源。
• 通过模拟非对称的电流-相位关系（公式5）并对比实验测得的切换与俘获电流直方图，检验竞争机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无外加磁场的条件下，通过插入单个磁性原子是否可在约瑟夫森结中诱导出非互易超电流？
• RQ2 在原子尺度超导结中观察到的二极管效应的微观起源是什么？
• RQ3 磁性吸附原子（Cr与Mn）的选择如何影响非互易电流的大小和方向？
• RQ4 切换与俘获电流中观察到的不对称性是源于非对称的电流-相位关系，还是耗散性准粒子电流？
• RQ5 是否可利用单原子操纵来调节和控制超导纳米结构中的二极管行为？

主要发现

• 在Pb–Pb约瑟夫森结中插入单个磁性原子（Cr或Mn）可诱导出强烈的非互易超电流，而原始Pb结则无任何不对称性。
• 该二极管效应归因于通过超导能隙内自旋极化Yu-Shiba-Rusinov（YSR）态流动的准粒子电流，理论建模已证实此结论。
• 二极管效应的符号和大小可通过选择磁性吸附原子进行调节：Mn结的优选电流方向与Cr结相反。
• 切换与俘获电流的实验直方图显示，俘获电流具有强烈不对称性，而切换电流仅有微弱不对称性，该现象仅在假设电流-相位关系对称且准粒子电流不对称时才能重现。
• 通过拟合模型（公式6）从$I-V$数据中提取了准粒子电流$I_{\textrm{qp}}(V)$，并提供了Pb、Cr和Mn结的拟合参数。
• 理论模拟排除了非对称电流-相位关系作为观察到不对称性的根源，确认通过YSR态的耗散性准粒子输运是主导机制。