[论文解读] Evidence of $ϕ$0-Josephson junction from skewed diffraction patterns in Sn-InSb nanowires

B. Zhang, Zupeng Li+11 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 13

一句话总结

本研究通过在面内磁场下观测到的偏斜临界电流衍射图案，提供了Sn-InSb纳米线异质结构中$φ_0$-约瑟夫森结的实验证据。偏斜最大达40 mT，源于自旋-轨道耦合与高阶约瑟夫森谐波，经现象学建模与紧束缚模拟验证，表明其具有非反演对称的电流-相位关系，与拓扑超导性和量子电路设计密切相关。

ABSTRACT

We study Josephson junctions based on InSb nanowires with Sn shells. We observe skewed critical current diffraction patterns: the maxima in forward and reverse current bias are at different magnetic flux, with a displacement of 20-40 mT. The skew is greatest when the external field is nearly perpendicular to the nanowire, in the substrate plane. This orientation suggests that spin-orbit interaction plays a role. We develop a phenomenological model and perform tight-binding calculations, both methods reproducing the essential features of the experiment. The effect modeled is the $ϕ$0-Josephson junction with higher-order Josephson harmonics. The system is of interest for Majorana studies: the effects are either precursor to or concomitant with topological superconductivity. Current-phase relations that lack inversion symmetry can also be used to design quantum circuits with engineered nonlinearity.

研究动机与目标

• 检测具有Sn壳层的InSb纳米线中$φ_0$-约瑟夫森结态，这是拓扑超导性的关键特征。
• 克服在SQUID基测量中隔离$φ_0$-移位效应与门控引起的磁通移位的实验挑战。
• 证明临界电流与磁场关系中的偏斜衍射图案是探测非正弦、非对称电流-相位关系的可靠探针。
• 建立观测到的偏斜与纳米线体系中自旋-轨道相互作用之间的关联。
• 验证高阶约瑟夫森谐波是相位偏移与非对称临界电流响应的起源。

提出的方法

• 在不同面内磁场下测量Sn-InSb纳米线约瑟夫森结的临界电流衍射图案。
• 采用包含$φ_0$-移位正弦电流-相位关系及一阶与二阶谐波贡献的现象学模型。
• 通过紧束缚电子结构计算模拟外加磁场下的约瑟夫森电流与电流-相位关系。
• 对模拟的电流-相位关系进行傅里叶展开，提取正弦与余弦谐波的振幅，识别非零相位偏移。
• 系统性地改变栅压以调节化学势，并探测其对偏斜系数$γ$的影响。
• 进行温度依赖性测量（低至1.1 K），以确认偏斜效应在热涨落下的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 偏斜的临界电流衍射图案是否可作为混合超导体-半导体纳米线中$φ_0$-约瑟夫森结的可靠特征？
• RQ2 观测到的衍射图案偏斜的起源是什么？其与磁场方向和强度的关系如何？
• RQ3 高阶约瑟夫森谐波与自旋-轨道耦合在非反演对称电流-相位关系中贡献程度如何？
• RQ4 栅压如何调控系统的响应？是否可用于将内在$φ_0$-移位效应与外在磁通移位分离？
• RQ5 观测到的$φ_0$-类行为是否与紧束缚模型的理论预测及CPR的傅里叶分解结果一致？

主要发现

• 观测到偏斜的衍射图案，正向与反向电流偏置峰之间最大位移达40 mT，表明存在非反演对称的电流-相位关系。
• 当磁场方向与纳米线垂直且处于面内时，偏斜达到最大，表明自旋-轨道耦合起关键作用。
• 紧束缚模拟证实，该效应源于一阶与二阶约瑟夫森谐波的共同作用，且具有基态相位偏移$δ\phi$。
• 二阶谐波对CPR有显著贡献，低场下一阶与二阶谐波正弦项振幅比约为4:1。
• 基态相位偏移$φ_{10}$与$φ_{20}$随$B_x$线性增加至100 mT，证实其具有场依赖的$φ_0$-类行为。
• 温度依赖性测量（低至1.1 K）显示偏斜效应持续存在，表明该效应并非源于热涨落，且对退相干具有鲁棒性。