Effetto diodo nelle giunzioni Josephson con un singolo atomo magnetico

Natura volume 615, pagine 628–633 (2023) Citare questo articolo

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Il flusso di corrente nei dispositivi elettronici può essere asimmetrico rispetto alla direzione della polarizzazione, un fenomeno alla base dell'utilità dei diodi1 e noto come trasporto di carica non reciproco2. La promessa dell'elettronica senza dissipazione ha recentemente stimolato la ricerca di diodi superconduttori e dispositivi superconduttori non reciproci sono stati realizzati in vari sistemi non centrosimmetrici3,4,5,6,7,8,9,10. Qui indaghiamo i limiti ultimi della miniaturizzazione creando giunzioni Josephson Pb-Pb su scala atomica in un microscopio a effetto tunnel. Le giunzioni incontaminate stabilizzate da un singolo atomo di Pb mostrano un comportamento isteretico, confermando l'alta qualità delle giunzioni, ma nessuna asimmetria tra le direzioni di polarizzazione. Supercorrenti non reciproche emergono quando si inserisce un singolo atomo magnetico nella giunzione, con la direzione preferita a seconda della specie atomica. Aiutati dalla modellazione teorica, tracciamo la non reciprocità delle correnti di quasiparticelle che fluiscono attraverso gli stati Yu-Shiba-Rusinov asimmetrici elettrone-lacuna all'interno del gap energetico superconduttore e identifichiamo un nuovo meccanismo per il comportamento dei diodi nelle giunzioni Josephson. I nostri risultati aprono nuove strade per la creazione di diodi Josephson su scala atomica e la messa a punto delle loro proprietà attraverso la manipolazione di un singolo atomo.

Dall'invenzione delle giunzioni p–n dei semiconduttori, le correnti asimmetriche nella direzione della tensione di polarizzazione applicata sono state fondamentali per lo sviluppo dei dispositivi elettronici1. Nelle giunzioni p-n, il trasporto di carica non reciproco emerge dal disallineamento della banda all'interfaccia, che rompe la simmetria di inversione. In assenza di interfacce materiali brusche, il trasporto di carica non reciproco di solito si verifica quando la rottura della simmetria di inversione (ad esempio, da un campo elettrico o dall'effetto Rashba) è accompagnata da una rottura della simmetria di inversione temporale (ad esempio, da un campo magnetico applicato). 2. Se la corrente scorre perpendicolarmente ai campi elettrici e magnetici incrociati, la sua intensità dipende dalla direzione, fenomeno noto come effetto magnetochirale11.

Il trasporto di carica non reciproco è particolarmente interessante per i dispositivi superconduttori. Possono mostrare una supercorrente senza dissipazione in una direzione, mentre la direzione inversa è resistiva, consentendo rapporti di resistenza essenzialmente illimitati. Il comportamento dei diodi è stato recentemente realizzato in superconduttori non centrosimmetrici a bassa dimensionalità3,4,9, nonché in stack con rottura di simmetria di inversione di diversi superconduttori5, sfruttando il forte effetto magnetochirale quando l'accoppiamento spin-orbita e il gap superconduttore sono di grandezza comparabile. La necessità di un campo magnetico esterno che rompa l'inversione del tempo può essere evitata includendo interstrati magnetici12.

Le giunzioni Josephson forniscono una piattaforma alternativa per un comportamento simile a quello dei diodi nei superconduttori, offrendo ulteriore possibilità di regolazione e potenzialmente interfacciandosi con qubit superconduttori. Sebbene due o più giunzioni Josephson combinate in dispositivi superconduttori di interferenza quantistica (noti anche come SQUIDS) siano stati a lungo proposti come amplificatori e raddrizzatori13,14, esperimenti su singole giunzioni Josephson hanno osservato solo di recente un comportamento non reciproco. Baumgartner et al.6 hanno utilizzato un gas di elettroni bidimensionale accoppiato in prossimità con una forte interazione spin-orbita, Pal et al.7 hanno osservato un comportamento simile a un diodo nelle giunzioni superconduttrici in prossimità di un semimetallo topologico e Diez-Merida et al.8 in Grafene a doppio strato ritorto. Sebbene questi dispositivi richiedessero campi magnetici esterni per indurre l'effetto diodo, Wu et al.10 hanno dimostrato la rettifica in una giunzione NbSe2/Nb3Br8/NbSe2 senza campi magnetici 15.

Qui riportiamo che l'inserimento di un singolo atomo può indurre un comportamento simile a un diodo nelle giunzioni Josephson implementate utilizzando un microscopio a effetto tunnel (STM). L'accoppiamento Josephson con e senza adatomi è stato a lungo studiato utilizzando STM con punte superconduttrici, concentrandosi sulla spettroscopia dei processi di tunneling e delle eccitazioni16,17,18, onde di densità di coppia19, diffusione di fase20, tunneling assistito da fotoni21,22,23, spettroscopia Josephson24,25 e transizioni 0–π26. Sebbene il lavoro precedente sulle giunzioni a singolo atomo si concentrasse su giunzioni polarizzate in tensione, gli effetti dei diodi richiedono misurazioni polarizzate in corrente. Realizziamo giunzioni Josephson polarizzate dalla corrente e troviamo un comportamento simile a quello di un diodo includendo un singolo atomo magnetico. Mostriamo che l'entità e il segno dell'effetto del diodo possono essere regolati dalla scelta della specie atomica. Ciò rende i nostri diodi Josephson a singolo atomo una piattaforma promettente per gli studi sui diodi superconduttori, in particolare se combinati con la manipolazione di singoli atomi per assemblare gli atomi in nanostrutture.