[论文解读] Josephson Diode Effect in High Mobility InSb Nanoflags

Bianca Turini, Sedighe Salimian+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用 4

一句话总结

本研究在单个弹道InSb纳米旗形约瑟夫森结中展示了约瑟夫森二极管效应（JDE），其中面内磁场破坏时间反演和空间反演对称性，由于Rashba自旋轨道耦合导致非互易超导电流流动。关键结果为可调谐、无耗散的超导电流整流，其在垂直磁场取向时达到最大值，并随温度升高而被抑制，确立了InSb作为低损耗超导电子学平台的潜力。

ABSTRACT

We report evidence of non-reciprocal dissipation-less transport in single ballistic InSb nanoflag Josephson junctions, owing to a strong spin-orbit coupling. Applying an in-plane magnetic field, we observe an inequality in supercurrent for the two opposite current propagation directions. This demonstrates that these devices can work as Josephson diodes, with dissipation-less current flowing in only one direction. For small fields, the supercurrent asymmetry increases linearly with the external field, then it saturates as the Zeeman energy becomes relevant, before it finally decreases to zero at higher fields. We show that the effect is maximum when the in-plane field is perpendicular to the current vector, which identifies Rashba spin-orbit coupling as the main symmetry-breaking mechanism. While a variation in carrier concentration in these high-quality InSb nanoflags does not significantly influence the diode effect, it is instead strongly suppressed by an increase in temperature. Our experimental findings are consistent with a model for ballistic short junctions and show that the diode effect is intrinsic to this material. Our results establish InSb Josephson diodes as a useful element in superconducting electronics.

研究动机与目标

• 展示基于高质量InSb纳米旗形的单平面约瑟夫森结中内在的非互易超导电流输运。
• 确定Rashba自旋轨道耦合作为约瑟夫森二极管效应主要对称性破缺机制的作用。
• 研究二极管效应对面内磁场取向、强度及温度的依赖性。
• 通过排除载流子浓度变化等非本征因素的影响，确立该效应的本征性。
• 在弹道、短结区域提供实验验证，与理论模型一致。

提出的方法

• 在具有超导接触的单个弹道InSb纳米旗形约瑟夫森结上进行低温磁输运测量。
• 将面内磁场以相对于电流方向可变的角度施加，以探测超导电流不对称性的角度依赖性。
• 通过开关电流测量提取整流系数 η = ΔI_sw / B_ip，其中 ΔI_sw = |I_sw^+ - I_sw^-|。
• 将比例因子 m = η / B_ip 拟合为 sin(θ) 的函数，其中 θ 为电流与面内磁场之间的夹角。
• 从30 mK到200 mK进行温度依赖性测量，以评估热抑制对二极管效应的影响。
• 基于具有异常相移的弹道SNS结的理论建模，用于解释超导电流不对称性对面内磁场和温度的依赖关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在面内磁场作用下，高迁移率InSb纳米旗形中非互易超导电流输运的起源是什么？
• RQ2 约瑟夫森二极管效应如何依赖于面内磁场相对于电流方向的取向？
• RQ3 随着温度升高，该效应在多大程度上被抑制？原因是什么？
• RQ4 该效应是材料的本征性质，还是受载流子浓度等非本征因素影响？
• RQ5 所观测到的超导电流不对称性能否通过基于Rashba自旋轨道耦合和短结中异常相移的模型加以解释？

主要发现

• 在单个平面InSb纳米旗形约瑟夫森结中观测到约瑟夫森二极管效应，非互易超导电流流动由面内磁场诱导。
• 超导电流不对称性随面内磁场线性增加，直至约58 mT，随后饱和并在更高磁场下最终衰减至零。
• 当面内磁场垂直于电流方向时，整流效应达到最大值，证实Rashba自旋轨道耦合是主导的对称性破缺机制。
• 通过超导电流不对称性与 B_ip 的线性拟合，提取出整流系数 α = -2.9 ± 0.2 T⁻¹，特征磁场 B₀ = 345 mT。
• 随着温度升高，二极管效应显著抑制，|α| 从30 mK到200 mK明显减小，这是由于电流-相位关系中高次谐波的更快衰减所致。
• 该效应对载流子浓度变化具有鲁棒性，但在高温下消失，表明其依赖于量子相干性以及电流-相位关系中的高次谐波贡献。