Диодный эффект в джозефсоновских переходах с одним магнитным атомом

Nature, том 615, страницы 628–633 (2023 г.) Процитировать эту статью

8860 Доступов

3 цитаты

43 Альтметрика

Подробности о метриках

Течение тока в электронных устройствах может быть асимметричным относительно направления смещения. Это явление лежит в основе применения диодов1 и известно как невзаимный перенос заряда2. Перспективы бездиссипативной электроники в последнее время стимулировали поиск сверхпроводящих диодов, а невзаимные сверхпроводящие устройства были реализованы в различных нецентросимметричных системах3,4,5,6,7,8,9,10. Здесь мы исследуем предельные пределы миниатюризации путем создания джозефсоновских переходов Pb–Pb атомного масштаба в сканирующем туннельном микроскопе. Нетронутые переходы, стабилизированные одним атомом Pb, демонстрируют гистерезисное поведение, что подтверждает высокое качество переходов, но не имеет асимметрии между направлениями смещения. Невзаимные сверхтоки возникают при вставке одного магнитного атома в переход, причем предпочтительное направление зависит от сорта атома. С помощью теоретического моделирования мы проследили невзаимность квазичастичных токов, протекающих через электронно-дырочные асимметричные состояния Ю-Шибы-Русинова внутри сверхпроводящей энергетической щели, и выявили новый механизм поведения диодов в джозефсоновских переходах. Наши результаты открывают новые возможности для создания диодов Джозефсона атомного масштаба и настройки их свойств посредством манипулирования отдельными атомами.

С момента изобретения полупроводниковых p-n-переходов токи, асимметричные относительно направления приложенного напряжения смещения, стали играть центральную роль в разработке электронных устройств1. В p-n-переходах невзаимный перенос заряда возникает из-за разрегулирования зон на границе раздела, что нарушает инверсионную симметрию. В отсутствие резких границ раздела материалов невзаимный перенос заряда обычно происходит, когда нарушение инверсионной симметрии (например, электрическим полем или эффектом Рашбы) сопровождается нарушением симметрии обращения времени (например, приложенным магнитным полем). 2. Если ток течет перпендикулярно скрещенным электрическому и магнитному полям, его величина зависит от направления – явление, известное как магнитохиральный эффект11.

Невзаимный перенос заряда особенно привлекателен для сверхпроводящих устройств. Они могут проявлять бездиссипативный сверхток в одном направлении, тогда как обратное направление является резистивным, что обеспечивает практически неограниченные соотношения сопротивлений. Диодное поведение недавно было реализовано в нецентросимметричных низкоразмерных сверхпроводниках3,4,9, а также в стопках различных сверхпроводников, нарушающих инверсионную симметрию5, с использованием сильного магнитохирального эффекта, когда важны спин-орбитальная связь и сверхпроводящая щель. сопоставимая величина. Необходимости во внешнем магнитном поле, разрушающем обращение времени, можно избежать, включив магнитные прослойки12.

Джозефсоновские переходы обеспечивают альтернативную платформу для диоподобного поведения в сверхпроводниках, предлагая дополнительную возможность настройки и потенциально взаимодействуя со сверхпроводящими кубитами. Хотя два или более джозефсоновских перехода, объединенных в сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства (также известные как СКВИДЫ), уже давно предлагаются в качестве усилителей и выпрямителей13,14, эксперименты с одиночными джозефсоновскими переходами лишь недавно обнаружили невзаимное поведение. Баумгартнер и др.6 использовали двумерный электронный газ, связанный по близости с сильным спин-орбитальным взаимодействием, Пал и др.7 наблюдали диоподобное поведение в сверхпроводящих переходах вблизи топологического полуметалла, а Диез-Мерида и др.8 скрученный двухслойный графен. Хотя этим устройствам требовались внешние магнитные поля для создания диодного эффекта, Ву и др.10 продемонстрировали выпрямление в переходе NbSe2/Nb3Br8/NbSe2 без магнитных полей 15.

Здесь мы сообщаем, что внедрение одного атома может вызвать диоподобное поведение в джозефсоновских переходах, реализованное с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Джозефсоновское взаимодействие с адатомами и без них уже давно исследуется с использованием СТМ со сверхпроводящими наконечниками, уделяя особое внимание спектроскопии туннельных процессов и возбуждений16,17,18, волн парной плотности19, фазовой диффузии20, туннелирования с помощью фотонов21,22,23, джозефсоновской спектроскопии24,25 и переходы 0–π26. Хотя предыдущие работы по одноатомным переходам были сосредоточены на соединениях, смещенных по напряжению, диодные эффекты требуют измерений по току. Мы реализуем токосмещенные джозефсоновские переходы и обнаруживаем поведение диода при включении одного магнитного атома. Мы показываем, что величину и знак диодного эффекта можно регулировать выбором сорта атомов. Это делает наши одноатомные диоды Джозефсона многообещающей платформой для исследования сверхпроводящих диодов, особенно в сочетании с манипуляциями с отдельными атомами для сборки атомов в наноструктуры.