[论文解读] Dynamical vortex transitions in a gate-tunable Josephson junction array

C. G. L. Bøttcher, Fabrizio Nichele+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 42被引用 7

一句话总结

本研究探究了基于Al/InAs异质结构的栅压可调二维约瑟夫森结阵列中的动力学涡旋转变，其中栅压可同时调控约瑟夫森耦合与涡旋钉扎。研究人员观察到在每个环路单元中磁通量子数为整数和半整数时，电流驱动下从超导态到电阻态的转变，其中f=1附近表现出非对称标度，而f=1/2处则为对称行为，表明超导态与异常金属态中涡旋动力学存在显著差异，且非普遍标度指数与莫特绝缘体熔化理论预测不符。

ABSTRACT

We explore vortex dynamics in a two-dimensional Josephson junction array of micron-size superconducting islands fabricated from an epitaxial Al/InAs superconductor-semiconductor heterostructure, with a global top gate controlling Josephson coupling and vortex pinning strength. With applied dc current, minima of differential resistance undergo a transition, becoming local maxima at integer and half-integer flux quanta per plaquette, $f$. The zero-field transition from the superconducting phase is split, but unsplit for the anomalous metal phase, suggesting that pinned vortices are absent or sparse in the superconducting phase, and abundant but frozen in the anomalous metal. The onset of the transition is symmetric around $f=1/2$ but skewed around $f=1$, consistent with a picture of dilute vortices/antivortices on top of a checkerboard ($f = 1/2$) or uniform array of vortices ($f = 1$). Transitions show good scaling but with exponents that differ from Mott values obtained earlier. Besides the skewing at $f=1$, transitions show an overall even-odd pattern of skewing around integer $f$ values, which we attribute to vortex commensuration in the square array leading to symmetries around half-integer $f$.

研究动机与目标

• 探究栅压可调二维约瑟夫森结阵列中约瑟夫森耦合与涡旋钉扎可调情况下的动力学涡旋转变。
• 确定所观察到的转变是否与莫特绝缘体熔化理论一致，特别是标度行为与标度指数方面。
• 探讨涡旋共格性与晶格对称性在不同磁通量子下对电阻极小值/极大值形状与偏斜度的影响。
• 考察超导相（无涡旋）与异常金属相（涡旋冻结）中涡旋行为的差异，依据零磁通处的转变结构进行分析。

提出的方法

• 利用外延生长的Al/InAs超导-半导体异质结构制备微米尺度约瑟夫森结阵列。
• 施加全局顶栅，以独立调节约瑟夫森耦合能（EJ）与涡旋钉扎势能（EB）。
• 在不同每环路单元磁通（f = Φ/Φ₀）下，测量直流电流作用下的微分电阻（dV/dI）。
• 通过d/dI(dV/dI_s - dV/dI_s|_I=I₀)与1/b的对数-对数图，对转变附近微分电阻进行标度分析，以提取临界指数ε。
• 对f=1/2与f=1处转变的左右分支分别进行分析，以考虑非对称性，数据在分离子线附近进行筛选。
• 将观测到的标度指数与莫特转变理论预测值进行比较，并分析整数f值附近的奇偶性偏斜模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 栅压如何调控二维超导-半导体约瑟夫森结阵列中约瑟夫森耦合与涡旋钉扎？
• RQ2 为何f=1处的转变表现出强烈非对称性，而f=1/2处却为对称性，尽管两者均与涡旋晶格共格性相关？
• RQ3 在涡旋转变附近观测到的标度指数是否与莫特转变模型一致，还是表明存在不同的普适类？
• RQ4 涡旋共格性与晶格几何结构在产生整数磁通量子附近偶-奇偏斜模式中起何种作用？
• RQ5 在超导相（涡旋缺失）与异常金属相（涡旋冻结）中，涡旋分布有何不同？

主要发现

• 在f=0时，超导相中的转变分裂为两个极小值，表明涡旋或反涡旋不存在，与BKT相变一致，此时它们在零磁通处相互湮灭。
• 在异常金属相中，f=0处的转变保持未分裂，表明即使在零磁通下也存在冻结的涡旋或反涡旋。
• f=1/2处的转变关于f=1/2对称，反映了底层棋盘形涡旋晶格结构及半填充时的镜像对称性。
• f=1处的转变显著偏斜，表明在完整涡旋晶格上过剩涡旋易于熔化，而缺陷涡旋（反涡旋）难以解绑定，暗示涡旋结合具有各向异性。
• 在较高整数磁通量子（f=2,3,4）附近观察到偶-奇偏斜模式，表明涡旋与正方晶格的共格性在整数f处引起对称性破缺，并在半整数处呈现镜像对称。
• 标度分析得到的非普遍指数与莫特转变值不同，表明该体系中涡旋熔化转变不符合标准莫特绝缘体模型，可能由于Al基阵列中结合势较弱。