Effet diode dans les jonctions Josephson avec un seul atome magnétique

Nature volume 615, pages 628-633 (2023)Citer cet article

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Détails des métriques

Le flux de courant dans les appareils électroniques peut être asymétrique avec la direction de polarisation, un phénomène sous-jacent à l'utilité des diodes1 et connu sous le nom de transport de charge non réciproque2. La promesse d’une électronique sans dissipation a récemment stimulé la recherche de diodes supraconductrices, et des dispositifs supraconducteurs non réciproques ont été réalisés dans divers systèmes non centrosymétriques3,4,5,6,7,8,9,10. Nous étudions ici les limites ultimes de la miniaturisation en créant des jonctions Pb – Pb Josephson à l'échelle atomique dans un microscope à effet tunnel. Les jonctions vierges stabilisées par un seul atome de Pb présentent un comportement hystérétique, confirmant la haute qualité des jonctions, mais aucune asymétrie entre les directions de polarisation. Des supercourants non réciproques apparaissent lors de l'insertion d'un seul atome magnétique dans la jonction, la direction préférée dépendant de l'espèce atomique. À l'aide d'une modélisation théorique, nous retraçons la non-réciprocité des courants de quasiparticules circulant au moyen d'états Yu – Shiba – Rusinov asymétriques électron-trou à l'intérieur de l'intervalle d'énergie supraconducteur et identifions un nouveau mécanisme pour le comportement des diodes dans les jonctions Josephson. Nos résultats ouvrent de nouvelles voies pour créer des diodes Josephson à l’échelle atomique et ajuster leurs propriétés grâce à la manipulation d’un seul atome.

Depuis l’invention des jonctions p – n des semi-conducteurs, les courants asymétriques dans la direction de la tension de polarisation appliquée ont joué un rôle central dans le développement des dispositifs électroniques1. Dans les jonctions p – n, un transport de charge non réciproque émerge du désalignement de la bande à l'interface, ce qui brise la symétrie d'inversion. En l'absence d'interfaces matérielles abruptes, le transport de charge non réciproque se produit généralement lorsque la symétrie d'inversion brisée (par exemple, par un champ électrique ou l'effet Rashba) est accompagnée d'une symétrie d'inversion temporelle brisée (par exemple, par un champ magnétique appliqué). 2. Si le courant circule perpendiculairement aux champs électriques et magnétiques croisés, son ampleur dépend de la direction, phénomène connu sous le nom d’effet magnétochiral11.

Le transport de charges non réciproque est particulièrement intéressant pour les dispositifs supraconducteurs. Ils peuvent présenter un supercourant sans dissipation dans une direction, tandis que la direction inverse est résistive, ce qui permet des rapports de résistance essentiellement illimités. Le comportement des diodes a récemment été réalisé dans des supraconducteurs non centrosymétriques de basse dimension3,4,9, ainsi que dans des empilements de différents supraconducteurs brisant la symétrie d'inversion5, en utilisant le fort effet magnétochiral lorsque le couplage spin-orbite et l'espace supraconducteur sont importants. ampleur comparable. Le besoin d’un champ magnétique externe interrompant l’inversion du temps peut être évité en incluant des couches intermédiaires magnétiques12.

Les jonctions Josephson fournissent une plate-forme alternative pour le comportement de type diode dans les supraconducteurs, offrant une plus grande adaptabilité et potentiellement une interface avec les qubits supraconducteurs. Bien que deux ou plusieurs jonctions Josephson combinées dans des dispositifs d'interférence quantique supraconducteurs (également connus sous le nom de SQUIDS) aient longtemps été proposées comme amplificateurs et redresseurs13,14, les expériences sur des jonctions Josephson uniques n'ont observé que récemment un comportement non réciproque. Baumgartner et al.6 ont utilisé un gaz d'électrons bidimensionnel couplé par proximité avec une forte interaction spin-orbite, Pal et al.7 ont observé un comportement de type diode dans des jonctions supraconductrices à proximité d'un semi-métal topologique et Diez-Merida et al.8 dans graphène bicouche torsadé. Bien que ces dispositifs nécessitaient des champs magnétiques externes pour induire l'effet diode, Wu et al.10 ont démontré une rectification dans une jonction NbSe2/Nb3Br8/NbSe2 sans champs magnétiques15.

Nous rapportons ici que l'insertion d'un seul atome peut induire un comportement semblable à celui d'une diode dans les jonctions Josephson mises en œuvre à l'aide d'un microscope à effet tunnel (STM). Le couplage Josephson avec et sans adatomes a longtemps été étudié à l'aide de STM à pointes supraconductrices, en se concentrant sur la spectroscopie des processus et des excitations tunnel16,17,18, les ondes de densité de paires19, la diffusion de phase20, l'effet tunnel assisté par photons21,22,23, la spectroscopie Josephson24,25. et transitions 0 – π26. Bien que les travaux antérieurs sur les jonctions à un seul atome se soient concentrés sur les jonctions polarisées en tension, les effets de diode nécessitent des mesures polarisées en courant. Nous réalisons des jonctions Josephson polarisées en courant et trouvons un comportement de type diode en incluant un seul atome magnétique. Nous montrons que l’ampleur et le signe de l’effet diode peuvent être ajustés par le choix des espèces atomiques. Cela fait de nos diodes Josephson à atome unique une plate-forme prometteuse pour l’étude des diodes supraconductrices, en particulier lorsqu’elles sont combinées à la manipulation d’un seul atome pour assembler les atomes en nanostructures.