단일 자기 원자를 갖는 조셉슨 접합의 다이오드 효과

Nature 615권, 628~633페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

전자 장치의 전류 흐름은 바이어스 방향에 따라 비대칭일 수 있습니다. 이는 다이오드의 유용성에 기초가 되는 현상1이며 비가역 전하 수송2으로 알려져 있습니다. 무소산 전자 장치의 가능성은 최근 초전도 다이오드에 대한 탐구를 자극했으며, 비가역 초전도 장치는 다양한 비대칭 시스템에서 실현되었습니다. 여기에서는 주사 터널링 현미경으로 원자 규모의 Pb-Pb Josephson 접합을 생성하여 소형화의 궁극적인 한계를 조사합니다. 단일 Pb 원자에 의해 안정화된 깨끗한 접합은 이력 현상을 나타내어 접합의 품질이 높음을 확인하지만 바이어스 방향 사이에는 비대칭이 없습니다. 단일 자기 원자를 접합부에 삽입하면 비가역 초전류가 나타나며, 선호되는 방향은 원자 종에 따라 달라집니다. 이론적 모델링의 도움을 받아 우리는 초전도 에너지 갭 내부의 전자-정공 비대칭 Yu-Shiba-Rusinov 상태를 통해 흐르는 준입자 전류에 대한 비가역성을 추적하고 Josephson 접합에서 다이오드 동작에 대한 새로운 메커니즘을 식별합니다. 우리의 결과는 원자 규모의 조셉슨 다이오드를 생성하고 단일 원자 조작을 통해 그 특성을 조정하는 새로운 길을 열어줍니다.

반도체 p-n 접합이 발명된 이후, 인가된 바이어스 전압 방향의 비대칭 전류는 전자 장치 개발의 중심이 되었습니다1. p-n 접합에서는 인터페이스의 밴드 정렬 불량으로 인해 비가역 전하 수송이 나타나 반전 대칭이 깨집니다. 갑작스러운 물질 경계면이 없는 경우, 반전 대칭이 깨졌을 때(예: 전기장 또는 라쉬바 효과에 의해) 비가역 전하 수송이 일반적으로 발생하며 깨진 시간 역전 대칭(예: 적용된 자기장에 의해)이 동반됩니다. 2. 전류가 교차된 전기장과 자기장에 수직으로 흐를 경우 그 크기는 방향에 따라 달라지는데, 이는 자기 카이랄 효과(magnetochiral effect11)로 알려진 현상입니다.

비가역 전하 수송은 초전도 장치에 특히 매력적입니다. 한 방향에서는 소산되지 않는 초전류를 나타낼 수 있는 반면, 반대 방향은 저항성이 있어 본질적으로 무제한의 저항 비율이 가능합니다. 다이오드 동작은 최근 스핀-궤도 결합 및 초전도 갭이 있을 때 강한 자기 키랄 효과를 활용하여 비중심대칭 저차원 초전도체3,4,9뿐만 아니라 다양한 초전도체의 역대칭 파괴 스택에서 실현되었습니다. 비교할 수 있는 규모. 자기 중간층12을 포함하면 시간 역전을 차단하는 외부 자기장의 필요성을 피할 수 있습니다.

조셉슨 접합은 초전도체의 다이오드와 같은 동작을 위한 대체 플랫폼을 제공하여 추가 조정 가능성을 제공하고 잠재적으로 초전도 큐비트와 인터페이스할 수 있습니다. 초전도 양자 간섭 장치(SQUIDS라고도 함)로 결합된 두 개 이상의 조셉슨 접합이 증폭기 및 정류기로 오랫동안 제안되었지만 단일 조셉슨 접합에 대한 실험은 최근에야 비가역적 동작이 관찰되었습니다. Baumgartner 등6은 강한 스핀-궤도 상호작용을 갖는 근접 결합 2차원 전자 가스를 사용했으며, Pal 등7은 토폴로지 반금속에 근접한 초전도 접합에서 다이오드와 유사한 거동을 관찰했으며 Diez-Merida 등8은 꼬인 이중층 그래핀. 이러한 장치는 다이오드 효과를 유도하기 위해 외부 자기장이 필요했지만 Wu 등10은 자기장 없이 NbSe2/Nb3Br8/NbSe2 접합에서 정류를 시연했습니다15.

여기서 우리는 단일 원자의 삽입이 주사 터널링 현미경(STM)을 사용하여 구현된 Josephson 접합에서 다이오드와 같은 동작을 유도할 수 있음을 보고합니다. 원자가 있거나 없는 조셉슨 결합은 초전도 팁이 있는 STM을 사용하여 터널링 프로세스 및 여기의 분광학, 쌍밀도파, 위상 확산, 광자 보조 터널링, 조셉슨 분광학에 초점을 맞춰 오랫동안 연구되어 왔습니다. 및 0-π 전환26. 단일 원자 접합에 대한 이전 연구는 전압 바이어스 접합에 중점을 두었지만 다이오드 효과에는 전류 바이어스 측정이 필요합니다. 우리는 전류 바이어스 조셉슨 접합을 실현하고 단일 자기 원자를 포함할 때 다이오드와 유사한 동작을 찾습니다. 우리는 다이오드 효과의 크기와 부호가 원자종의 선택에 따라 조정될 수 있음을 보여줍니다. 이로 인해 단일 원자 조셉슨 다이오드는 특히 단일 원자 조작과 결합하여 원자를 나노 구조로 조립할 때 초전도 다이오드 연구를 위한 유망한 플랫폼이 됩니다.