[论文解读] Magnetic Josephson Junctions and Superconducting Diodes in Magic Angle Twisted Bilayer Graphene

Jaime Díez-Mérida, A. Díez-Carlón+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 51被引用 28

一句话总结

本文展示了在 MATBG 的门控定义磁性约瑟夫森结，靠近相关态 ν = -2 状态，揭示了具有磁性迟滞的相位偏移的非传统 Fraunhofer 模式，并构建了一个可编程的零场超导二极管。

ABSTRACT

The simultaneous co-existence and gate-tuneability of the superconducting (SC), magnetic and topological orders in magic angle twisted bilayer graphene (MATBG) open up entirely new possibilities for the creation of complex hybrid Josephson junctions (JJ). Here we report on the creation of gate-defined, magnetic Josephson junctions in MATBG, where the weak link is gate-tuned close to the correlated state at a moiré filling factor of ν=-2. A highly unconventional Fraunhofer pattern emerges, which is phase-shifted and asymmetric with respect to the current and magnetic field directions, and shows a pronounced magnetic hysteresis. Interestingly, our theoretical calculations of the JJ with a valley polarized ν=-2 with orbital magnetization as the weak link explain most of these unconventional features without fine tuning the parameters. While these unconventional Josephson effects persist up to the critical temperature Tc ~ 3.5K of the superconducting state, at temperatures below T < 800mK, we observed a pronounced magnetic hysteresis possibly due to further spin-polarization of the ν=-2 state. We demonstrate how the combination of magnetization and its current induced magnetization switching in the MATBG JJ allows us to realize a programmable zero field superconducting diode, which represents a major building block for a new generation of superconducting quantum electronics.

研究动机与目标

• 在 MATBG 中激发并探索共存的超导、磁性与拓扑序以用于混合约瑟夫森器件。
• 证明在 ν = -2 相关态附近的门控调谐弱链路。
• 表征包括相位偏移和磁滞在内的非传统约瑟夫森效应。
• 展示磁化与电流感应切换如何实现零场超导二极管。
• 讨论利用 MATBG JJs 实现可编程超导量子电子学的潜力。

提出的方法

• 将 MATBG 中的弱链接通过门控调谐到相关的 ν = -2 态。
• 在 MATBG 中制造并表征磁性约瑟夫森结。
• 测量 Fraunhofer 模式和磁滞随电流和磁场的变化。
• 对一个具有轨道磁化的 valley-polarized ν = -2 及其弱链接进行理论计算。
• 分析温度依赖性，最高至 Tc ~ 3.5 K，低于 800 mK 时对自旋极化效应的影响。
• 通过 MATBG JJ 的磁化与电流感应切换展示二极管行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 MATBG 是否可以承载将弱链接调谐到 ν = -2 相关态的门控定义磁性 Josephson 结？
• RQ2 当弱链接为具有轨道磁化的谷偏化时，Fraunhofer 模式会出现哪些非传统特征？
• RQ3 该器件是否呈现磁性滞后，以及它如何随温度和自旋极化而变化？
• RQ4 磁化与电流感应切换的结合能否实现零场超导二极管？
• RQ5 在多大程度上可以不通过微调参数就用理论解释所观察到的现象？

主要发现

• 出现非传统的 Fraunhofer 模式，具有相位偏移且对电流和磁场方向不对称。
• 在约瑟夫森响应中观察到显著的磁性滞后。
• 具有谷偏化的 ν = -2 和轨道磁化的理论计算在多方面无需微调即可解释。
• 非传统效应在高达 Tc ~ 3.5 K 的温度下持续存在，即超导转变温度。
• 在 T < 800 mK 时，增强的磁性滞后表明 ν = -2 状态的自旋极化进一步增强。
• 展示了在 MATBG JJ 中利用磁化和电流感应切换实现的可编程零场超导二极管。