単一の磁性原子によるジョセフソン接合におけるダイオード効果

Nature volume 615、pages 628–633 (2023)この記事を引用

8860 アクセス

3 引用

43 オルトメトリック

メトリクスの詳細

電子デバイス内の電流の流れは、バイアス方向に関して非対称になる場合があります。これは、ダイオード 1 の有用性の基礎となる現象であり、非相反電荷輸送 2 として知られています。 最近、無散逸エレクトロニクスの可能性が超伝導ダイオードの探求を刺激しており、非相反超伝導デバイスがさまざまな非中心対称システムで実現されています 3、4、5、6、7、8、9、10。 今回我々は、走査型トンネル顕微鏡で原子スケールのPb-Pbジョセフソン接合を作製することにより、微細化の究極の限界を調査する。 単一の Pb 原子によって安定化された元の接合はヒステリシス挙動を示し、接合の高品質が確認されますが、バイアス方向間に非対称性はありません。 単一の磁性原子を接合に挿入すると、原子種に応じた優先方向を持つ非相反超電流が発生します。 理論モデリングを利用して、超伝導エネルギーギャップ内の電子正孔非対称Yu-Shiba-Rusinov状態によって流れる準粒子電流への非相反性を追跡し、ジョセフソン接合におけるダイオードの動作の新しいメカニズムを特定します。 私たちの結果は、原子スケールのジョセフソンダイオードを作成し、単一原子の操作を通じてその特性を調整するための新しい道を開きます。

半導体 p-n 接合の発明以来、印加バイアス電圧の方向に非対称な電流が電子デバイスの開発の中心となってきました1。 p-n 接合では、界面でのバンドの不整合により非相反的な電荷輸送が生じ、反転対称性が崩れます。 急激な材料界面が存在しない場合、通常、反転対称性の破れ（電場やラシュバ効果など）に時間反転対称性の破れ（磁場の印加など）が伴う場合、非相反的な電荷輸送が発生します。 2. 電流が交差する電場と磁場に対して垂直に流れる場合、その大きさは方向に依存します。これは磁気カイラル効果として知られる現象です11。

非相反的な電荷輸送は、超伝導デバイスにとって特に魅力的です。 一方向では散逸のない超電流を示すことができますが、逆方向では抵抗があり、本質的に無制限の抵抗比が可能になります。 ダイオードの動作は、最近、非中心対称の低次元超伝導体 3、4、9 や、異なる超伝導体の反転対称を破る積層体 5 で実現されており、これは、スピン軌道結合と超伝導ギャップが関係する場合の強力な磁気キラル効果を利用しています。同等の大きさ。 時間反転を破壊する外部磁場の必要性は、磁性中間層を含めることによって回避できます12。

ジョセフソン接合は、超伝導体におけるダイオードのような動作に代替プラットフォームを提供し、さらなる調整可能性を提供し、超伝導量子ビットとのインターフェースとなる可能性があります。 2 つ以上のジョセフソン接合を組み合わせて超電導量子干渉デバイス (SQUIDS としても知られる) を増幅器や整流器として組み合わせることが長い間提案されてきました 13,14 が、単一ジョセフソン接合の実験で非相反挙動が観察されたのはつい最近のことです。 Baumgartnerら6は、強いスピン軌道相互作用を持つ近接結合二次元電子ガスを使用し、Palら7は、トポロジカル半金属に近接した超伝導接合におけるダイオードのような挙動を観察し、Diez-Meridaら8は、ねじれた二層グラフェン。 これらのデバイスはダイオード効果を誘発するために外部磁場を必要としましたが、Wu et al.10 は磁場なしで NbSe2/Nb3Br8/NbSe2 接合における整流を実証しました 15。

今回我々は、走査型トンネル顕微鏡（STM）を用いて実装したジョセフソン接合において、単一原子の挿入によりダイオードのような挙動を誘発できることを報告する。 吸着原子の有無にかかわらずジョセフソン結合は、トンネル過程と励起の分光法 16,17,18、対密度波 19、位相拡散 20、光子支援トンネル効果 21,22,23、ジョセフソン分光法 24,25 に焦点を当て、超伝導チップを備えた STM を使用して長い間研究されてきました。および 0 ～ π 遷移 26。 単一原子接合に関する以前の研究は電圧バイアス接合に焦点を当てていましたが、ダイオード効果には電流バイアス測定が必要です。 私たちは電流バイアスされたジョセフソン接合を実現し、単一の磁性原子を含む場合にダイオードのような動作を発見しました。 ダイオード効果の大きさと符号は原子種の選択によって調整できることを示します。 このため、当社の単一原子ジョセフソン ダイオードは、特に原子をナノ構造に組み立てるための単一原子操作と組み合わせた場合、超伝導ダイオードの研究にとって有望なプラットフォームになります。