[论文解读] Flux-Tunable Josephson Diode Effect in a Hybrid Four-Terminal Josephson Junction

M. Coraiola, Aleksandr E. Svetogorov+11 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 47被引用 1

一句话总结

本研究在基于InAs/Al二维异质结构的混合四端口约瑟夫森结中，展示了磁通调控的约瑟夫森二极管效应。通过施加独立的磁通和栅压，该器件实现了高达|η| ≈ 34%的超导二极管效率，且无需外加磁场或奇异材料，其效率在大小和符号上均可调节，该效应由具有非正弦形电流-相位关系的双SQUID结构实现，且在结构对称的装置中得以实现。

ABSTRACT

We investigate the direction-dependent switching current in a flux-tunable four-terminal Josephson junction defined in an InAs/Al two-dimensional heterostructure. The device exhibits the Josephson diode effect, with switching currents that depend on the sign of the bias current. The superconducting diode efficiency, reaching a maximum of $|η|\approx34\%$, is widely tunable - both in amplitude and sign - as a function of magnetic fluxes and gate voltages. Our observations are supported by a circuit model of three parallel Josephson junctions with non-sinusoidal current-phase relation. With respect to conventional Josephson interferometers, phase-tunable multiterminal Josephson junctions enable large diode efficiencies in structurally symmetric devices, where local magnetic fluxes break both time-reversal and spatial-inversion symmetries. Our work establishes a pathway to develop Josephson diodes with wide-range tunability and that do not rely on exotic materials or externally applied magnetic fields.

研究动机与目标

• 展示一种在多端口约瑟夫森结中具有时间反演对称性和空间反演对称性破缺的非互易超导电流。
• 在不依赖奇异材料或外加磁场的结构对称器件中，实现大且广泛可调的约瑟夫森二极管效率。
• 探讨相位可调超导环与栅压控制的Andreev束缚态在实现可调二极管行为中的作用。
• 建立一个电路模型，通过具有非正弦形电流-相位关系的双SQUID结构解释观测到的非互易输运行为。

提出的方法

• 器件为在InAs/Al二维异质结构中制备的四端口约瑟夫森结（4TJJ），集成有磁通偏置线和栅电极。
• 测量超导电流随独立磁通线电流（IL, IR）和栅压（VS, VL, VM, VR, VJ）的变化，从而实现对相位差和Andreev束缚态透射性的调控。
• 该系统被建模为由两个并联SQUID组成的双SQUID，每个SQUID具有源于高透射率Andreev束缚态的非正弦形电流-相位关系（CPR）。
• 模拟采用扩展电路模型，包含相位差ϕL和ϕR，并通过线性变换将磁通线电流映射为有效磁通。
• 通过正向和反向偏置电流下的开关电流测量I+sw和I−sw提取二极管效率η。
• 通过栅压将一个高临界电流结关闭，实验在双环和单环配置下进行。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅通过磁通和栅压控制，在对称多端口约瑟夫森结中实现约瑟夫森二极管效应？
• RQ2 在无外加磁场的混合超导-半导体4TJJ中，可实现的最大可调二极管效率是多少？
• RQ3 通过超导环实现的相位调控如何影响约瑟夫森二极管效应的符号和幅值？
• RQ4 通过栅压调控Andreev束缚态，能在多大程度上控制二极管行为？
• RQ5 简单的双SQUID模型能否准确再现该系统中观测到的非互易输运行为？

主要发现

• 约瑟夫森二极管效应的最大效率达到|η| ≈ 34%，在对称与非对称栅压配置下均被观测到。
• 通过调节磁通线电流和栅压，二极管效率可在幅值和符号上广泛调节，包括二极管响应消失的区域。
• 即使在结构对称的几何构型下，器件仍表现出强烈的非互易性，这是通过局部磁通破坏时间反演和空间反演对称性实现的。
• 具有非正弦形电流-相位关系的双SQUID模型能准确复现实验测得的开关电流轨迹和二极管效率图谱。
• 当一个结被栅压调制进入超导态时，单环构型下二极管效应依然存在，证实了相位可调干涉的关键作用。
• 包含透射率和相位弛豫等实际参数的扩展模型仿真结果，在多个器件构型下与实验数据定量吻合。