[论文解读] Emergent Interfacial Superconductivity between Twisted Cuprate Superconductors

Sai Zhao, Nicola Poccia+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 16被引用 43

一句话总结

本文展示了原子级锐利的扭曲 Bi2Sr2CaCu2O8+x 界面，形成耦合随 twist-angle 变化的 Josephson 跃迁，揭示 d-wave 配对特征和在接近 45 度时出现的共隧穿超导及分数阶 Shapiro 步进等现象。

ABSTRACT

Twisted interfaces between stacked van der Waals cuprate crystals enable tunable Josephson coupling between in-plane anisotropic superconducting order parameters. Employing a novel cryogenic assembly technique, we fabricate Josephson junctions with an atomically sharp twisted interface between Bi2Sr2CaCu2O8+x crystals. The Josephson critical current density sensitively depends on the twist angle, reaching the maximum value comparable to that of the intrinsic junctions at small twisting angles, and is suppressed by almost 2 orders of magnitude yet remains finite close to 45 degree twist angle. Through the observation of fractional Shapiro steps and the analysis of Fraunhofer patterns we show that the remaining superconducting coherence near 45 degree is due to the co-tunneling of Cooper pairs, a necessary ingredient for high-temperature topological superconductivity.

研究动机与目标

• 研究扭曲 Bi2Sr2CaCu2O8+x 层之间的扭曲如何控制界面 Josephson 耦合。
• 探测扭曲铜酸盐界面中的配对对称性与电流–相位关系。
• 展示在低温、干燥、 solvent-free 制备的高质量 twist Josephson 结，保持界面超导性。
• 探索接近 45 度时共隧穿的标志以及潜在的拓扑超导态。

提出的方法

• 在氩气中使用低温、全干燥的 vdW 转移技术制备原子级锐利的扭曲 BSCCO 界面。
• 测量四端 I-V 特性并提取 J_C 与 R_N 以获得 I_C R_N 对角度的关系。
• 在平行磁场下分析 Fraunhofer 图样以推断有效厚度和二阶谐波 CPR 的特征。
• 进行微波诱导的 Shapiro 步进测量以识别整数与半整数步进及其与电流–相位关系的关系。
• 将 I_C R_N 的角度依赖性与 d-wave 超导体的理论预期（cos(2θ) 行为）进行比较。
• 使用横截面 STEM/AFM 以确认界面质量与结构完整性。

实验结果

研究问题

• RQ1 扭曲角度 θ 在 BSCCO 层之间如何调控界面处的 Josephson 临界电流密度 J_C？
• RQ2 扭曲铜酸盐界面在 Josephson 传输与 Fraunhofer 图样中是否显示出 d-wave 配对特征？
• RQ3 是否存在接近 θ ≈ 45° 时的 Cooper 对共隧穿及新秩序参数的证据？
• RQ4 接近 45° 的扭曲时 Shapiro 步进的特征与电流–相位关系如何？
• RQ5 在冷冻、干燥组装条件下，界面能否维持高 Tc 超导性与原始界面结构？

主要发现

• J_C R_N 具有大致的角度依赖性 ~ |cos(2θ̃)|，与 d-wave 超导体之间的非相干隧穿一致。
• 在 θ̃ ≈ π/4（45°）附近，J_C 仍然有有限值但显著降低，Fraunhofer 图样指示共隧穿导致的有效厚度增加。
• 接近 45° 的 Fraunhofer 测量显示更短的振荡周期，对应放大的有效厚度或更高阶的电流分量。
• 在接近 45° 的扭曲角约 1° 内出现半整数 Shapiro 步进，表明电流–相位关系中主导的第二谐波。
• 在 45° 附近的角度，I_C R_N(T) 非单调并在有限温度 T_M 处达到最大值，支持由 d-wave SOPs 引起的结点与反结点贡献之间的竞争。
• 在 θ = 0° 时的 Josephson 耦合达到高质量结，其 J_C≈ 内在 BSCCO 结的水平，表明界面质量可与内在结媲美。