Baumgartner, Christian
(2023)
Semiconductor-Superconductor Josephson Junctions in the Presence of Zeeman and Spin-Orbit Fields.
Dissertation, Universität Regensburg.
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Epitaxially grown Al-InAs hybrids have a great potential for future applications. The most prominent incentive in this regard are potential Majorana zero modes, which are to be believed ideal candidates for fault-tolerant quantum computers. However, with the recent access to these novel materials, it is furthermore possible to conduct experiments on a wide range of generic phenomena. With the ...
Zusammenfassung (Englisch)
Epitaxially grown Al-InAs hybrids have a great potential for future applications. The most prominent incentive in this regard are potential Majorana zero modes, which are to be believed ideal candidates for fault-tolerant quantum computers. However, with the recent access to these novel materials, it is furthermore possible to conduct experiments on a wide range of generic phenomena. With the help of top-down fabrication, individual designed Josephson junctions offer an unprecedented playground for experimentalists due to the unique combination of the two-dimensional electron gas (2DEG) and the superconductor.
This dissertation is about examining of the fundamental building blocks of single Josephson junctions built on such a heterostructure. For this purpose, we elaborated a fabrication process and installed a measurement technique based on a cold RLC resonator in the low MHz regime that is placed in series to the sample. In contrast to the normal resistance, the resonator is a tool which allows us to access the inductance of a superconducting system and thus to probe the supercurrent-carrying Andreev bound states (ABS).
The main discoveries of this work include a complete picture of the ABS dependency on various parameters, such as the charge carrier density, the dc current, the magnetic fields, the temperature, or the transparency of the junction, which is close to unity. In the heterostructure, we can break inversion and time-reversal symmetry simultaneously with the interaction of spin-orbit and Zeeman fields. This, in combination with the ballistic character of the Josephson device, leads to a non-reciprocal current that depends on the cross product of current and Zeeman field. Furthermore, we report a rectification effect of the supercurrent even far below the critical temperature of the superconductor. The observed non-reciprocal current is a consequence of a distorted current-phase relation (CPR). Using the inductance, we can display this distortion and derive the novel magnetochiral anisotropy (MCA) coefficient for supercurrents.
Moreover, with the MCA coefficient we extract the Dresselhaus component and witness furthermore a peculiar sign change of the MCA at the point where the Zeeman energy is as large as the induced gap. Finally, with the gained understanding and experience of single superconductor-semiconductor Josephson junctions, we create the basis for more complex devices, e.g. multiterminal Josephson junctions (MTJJs). Such junctions with multiple superconducting leads are predicted to host synthetic Weyl singularities in their ABS spectrum. In this work, we present first results of this new topic and show that it is possible to fabricate such MTJJs and to measure their inductance.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Epitaktisch gewachsene Al-InAs-Heterostrukturen haben ein großes Potenzial für zukünftige Anwendungen. Der prominenteste Anreiz in dieser Hinsicht sind potenzielle Majorana-Nullmoden, die als ideale Kandidaten für fehlertolerante Quantencomputer gelten. Mit dem kürzlich erfolgten Zugang zu diesen neuartigen Materialien ist es darüber hinaus möglich, Experimente zu einem breiten Spektrum ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Epitaktisch gewachsene Al-InAs-Heterostrukturen haben ein großes Potenzial für zukünftige Anwendungen. Der prominenteste Anreiz in dieser Hinsicht sind potenzielle Majorana-Nullmoden, die als ideale Kandidaten für fehlertolerante Quantencomputer gelten. Mit dem kürzlich erfolgten Zugang zu diesen neuartigen Materialien ist es darüber hinaus möglich, Experimente zu einem breiten Spektrum allgemeiner Phänomene durchzuführen. Mit Hilfe der Top-Down-Fertigung bieten individuell gestaltete Josephson-Übergänge aufgrund der einzigartigen Kombination von zweidimensionalem Elektronengas (2DEG) und Supraleiter eine noch nie dagewesene Spielwiese für Experimentatoren.
In dieser Dissertation geht es um die Untersuchung der grundlegenden Bausteine von einzelnen Josephson-Übergängen, die auf einer solchen Heterostruktur aufgebaut sind. Zu diesem Zweck haben wir einen Herstellungsprozess entwickelt und eine Messtechnik installiert, die auf einem kalten RLC-Resonator im niedrigen MHz-Bereich basiert, der in Reihe zur Probe geschaltet wird. Im Gegensatz zum normalen Widerstand ist der Resonator ein Werkzeug, das es uns ermöglicht, auf die Induktivität eines supraleitenden Systems zuzugreifen und somit die suprastromführenden Andreev-gebundenen Zustände (ABS) zu untersuchen.
Zu den wichtigsten Erkenntnissen dieser Arbeit gehört ein vollständiges Bild der ABS-Abhängigkeit von verschiedenen Parametern, wie der Ladungsträgerdichte, dem Gleichstrom, den Magnetfeldern, der Temperatur oder der Transparenz des Übergangs, die nahe der Einheit liegt. In der Heterostruktur können wir die Inversions- und Zeitumkehrsymmetrie gleichzeitig mit der Wechselwirkung von Spin-Bahn- und Zeeman-Feldern brechen. In Kombination mit dem ballistischen Charakter des Josephson-Bauelements führt dies zu einem nicht-reziproken Strom, der vom Kreuzprodukt aus Strom und Zeeman-Feld abhängt. Darüber hinaus berichten wir über einen Gleichrichtungseffekt des Superstroms auch weit unterhalb der kritischen Temperatur des Supraleiters. Der beobachtete nicht-reziproke Strom ist eine Folge einer verzerrten Strom-Phasen-Relation (CPR). Mit Hilfe der Induktivität können wir diese Verzerrung darstellen und den neuartigen magnetochiralen Anisotropiekoeffizienten (MCA) für Supraströme ableiten.
Außerdem extrahieren wir mit dem MCA-Koeffizienten die Dresselhaus-Komponente und beobachten darüber hinaus einen eigenartigen Vorzeichenwechsel der MCA an dem Punkt, an dem die Zeeman-Energie so groß ist wie die induzierte Lücke. Schließlich schaffen wir mit dem gewonnenen Verständnis und der Erfahrung mit einzelnen Supraleiter-Halbleiter-Josephson-Übergängen die Grundlage für komplexere Bauelemente, z. B. multiterminal Josephson-Übergänge (MTJJs). Für solche Übergänge mit mehreren supraleitenden Anschlüssen wird vorhergesagt, dass sie synthetische Weyl-Singularitäten in ihrem ABS-Spektrum aufweisen. In dieser Arbeit präsentieren wir erste Ergebnisse zu diesem neuen Thema und zeigen, dass es möglich ist, solche MTJJs herzustellen und ihre Induktivität zu messen.
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