[论文解读] Gate-tunable Superconducting Diode Effect in a Three-terminal Josephson Device

Mohit Gupta, Gino V. Graziano+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 5

一句话总结

该论文展示了一种基于外延铝异质外延的InAs二维电子气（2DEG）的三终端约瑟夫森结器件中，通过门电压调控的超导二极管效应。该二极管效应源于由微弱垂直磁场诱导的工程化高次谐波电流-相位关系，实现了对非互易临界电流大小和符号的完全静电控制，潜在应用于无耗散电子学和拓扑量子比特。

ABSTRACT

The phenomenon of non-reciprocal critical current in a Josephson device, termed the Josephson diode effect, has garnered much recent interest. Realization of the diode effect requires inversion symmetry breaking, typically obtained by spin-orbit interactions. Here we report observation of the Josephson diode effect in a three-terminal Josephson device based upon an InAs quantum well two-dimensional electron gas proximitized by an epitaxial aluminum superconducting layer. We demonstrate that the diode efficiency in our devices can be tuned by a small out-of-plane magnetic field or by electrostatic gating. We show that the Josephson diode effect in these devices is a consequence of the artificial realization of a current-phase relation that contains higher harmonics. We also show nonlinear DC intermodulation and simultaneous two-signal rectification, enabled by the multi-terminal nature of the devices. Furthermore, we show that the diode effect is an inherent property of multi-terminal Josephson devices, establishing an immediately scalable approach by which potential applications of the Josephson diode effect can be realized, agnostic to the underlying material platform. These Josephson devices may also serve as gate-tunable building blocks in designing topologically protected qubits.

研究动机与目标

• 展示一种无需依赖本征材料特性或大电感的三终端约瑟夫森结器件中的门可调约瑟夫森二极管效应。
• 确立该二极管效应源于由磁场和静电门控诱导的合成高次谐波电流-相位关系。
• 展示二极管效率和极性可通过电学方式调节，实现正向与负向偏置响应之间的可逆切换。
• 在多端口器件中展示非线性信号整流与互调现象，为信号处理和神经形态架构提供潜在应用。
• 建立一种可扩展、与材料无关的平台，适用于实现拓扑量子计算中的约瑟夫森二极管效应。

提出的方法

• 利用外延生长的10 nm铝超导层对InAs二维电子气（2DEG）进行近邻效应诱导，制备三终端约瑟夫森结器件。
• 在Y形铝结的每一端分别使用Ti/Au顶栅，以独立调节各端子间的耦合强度并控制局部超导相位。
• 施加微弱的垂直磁场以打破时间反演对称性，并在电流-相位关系（CPR）中诱导高次谐波之间的相位差。
• 通过模拟CPR，表明非互易临界电流源于由磁场诱导的相位移所形成的合成高次谐波CPR（例如，包含sin(φ)和sin(3φ)项）。
• 通过测量正向与反向电流偏置下的微分电阻和临界电流不对称性，量化二极管效率。
• 利用函数发生器和锁相检测技术，在多端口结构中实现非线性直流互调与双信号整流，利用器件的多端口几何结构和CPR的非线性特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖本征自旋-轨道耦合或大电感的三终端约瑟夫森结器件中实现约瑟夫森二极管效应？
• RQ2 静电门控如何影响该器件中非互易临界电流的大小和符号？
• RQ3 该平台中二极管效应的起源是什么——具体而言，是否源于电流-相位关系中的工程化高次谐波？
• RQ4 是否仅通过静电门控或小磁场即可可逆地调节二极管效应的极性（正或负）？
• RQ5 该器件的多端口特性在多大程度上可实现非线性信号处理功能，如整流与互调？

主要发现

• 在三终端InAs/Al异质结器件中观测到约瑟夫森二极管效应，其测量二极管效率（Q）可通过静电门控和微弱垂直磁场进行调节。
• 非互易临界电流源于包含高次谐波（如sin(φ)和sin(3φ)）的合成电流-相位关系，该关系由磁场诱导的相位差所产生。
• 通过施加微弱磁场（约几μT）或调节门电压，可实现二极管极性的切换，实现对临界电流方向的完全电学控制。
• 该器件表现出非线性直流互调与同时双信号整流，其特性由多端口结构和CPR的非线性共同实现。
• 该效应在低温下具有鲁棒性，在200 mK以下观察到临界电流饱和，表明对热涨落具有稳定性。
• 该机制与材料无关：只要系统具有常规的sin(φ) CPR，通过外场或几何结构引入高次谐波，即可实现该二极管效应。