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Jul 14, 2023

Efeito diodo em junções Josephson com um único átomo magnético

Nature volume 615, páginas 628–633 (2023)Cite este artigo 8806 Acessos 3 citações 43 Detalhes das métricas altmétricas O fluxo de corrente em dispositivos eletrônicos pode ser assimétrico com a direção de polarização, um fenômeno

Nature volume 615, páginas 628–633 (2023)Cite este artigo

8806 Acessos

3 citações

43 Altmétrico

Detalhes das métricas

O fluxo de corrente em dispositivos eletrônicos pode ser assimétrico com a direção de polarização, um fenômeno subjacente à utilidade dos diodos1 e conhecido como transporte de carga não recíproco2. A promessa de eletrônica sem dissipação estimulou recentemente a busca por diodos supercondutores, e dispositivos supercondutores não recíprocos foram realizados em vários sistemas não centrossimétricos . Aqui investigamos os limites finais da miniaturização criando junções Pb-Pb Josephson em escala atômica em um microscópio de tunelamento de varredura. Junções primitivas estabilizadas por um único átomo de Pb exibem comportamento histerético, confirmando a alta qualidade das junções, mas nenhuma assimetria entre as direções de polarização. Supercorrentes não recíprocas surgem ao inserir um único átomo magnético na junção, com a direção preferida dependendo da espécie atômica. Auxiliados pela modelagem teórica, rastreamos a não reciprocidade para correntes de quasipartículas fluindo por meio de estados assimétricos de Yu – Shiba – Rusinov dentro do intervalo de energia supercondutor e identificamos um novo mecanismo para o comportamento do diodo nas junções Josephson. Nossos resultados abrem novos caminhos para a criação de diodos Josephson em escala atômica e o ajuste de suas propriedades por meio da manipulação de um único átomo.

Desde a invenção das junções semicondutoras p – n, as correntes assimétricas na direção da tensão de polarização aplicada têm sido fundamentais para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos . Nas junções p – n, o transporte de carga não recíproco emerge do desalinhamento da banda na interface, o que quebra a simetria de inversão. Na ausência de interfaces materiais abruptas, o transporte de carga não recíproco geralmente ocorre quando a simetria de inversão quebrada (por exemplo, por um campo elétrico ou o efeito Rashba) é acompanhada por uma simetria de reversão de tempo quebrada (por exemplo, por um campo magnético aplicado). 2. Se a corrente flui perpendicularmente aos campos elétricos e magnéticos cruzados, sua magnitude depende da direção, fenômeno conhecido como efeito magnetoquiral11.

O transporte de carga não recíproco é particularmente atraente para dispositivos supercondutores. Eles podem exibir supercorrente sem dissipação em uma direção, enquanto a direção reversa é resistiva, permitindo taxas de resistência essencialmente ilimitadas. O comportamento do diodo foi recentemente realizado em supercondutores não centrossimétricos de baixa dimensão , bem como em pilhas de quebra de simetria de inversão de diferentes supercondutores , fazendo uso do forte efeito magnetoquiral quando o acoplamento spin-órbita e a lacuna supercondutora são de magnitude comparável. A necessidade de um campo magnético externo que interrompe a reversão do tempo pode ser evitada incluindo intercamadas magnéticas .

As junções Josephson fornecem uma plataforma alternativa para comportamento semelhante ao diodo em supercondutores, oferecendo maior sintonização e potencialmente interface com qubits supercondutores. Embora duas ou mais junções Josephson combinadas em dispositivos supercondutores de interferência quântica (também conhecidos como SQUIDS) tenham sido propostas há muito tempo como amplificadores e retificadores , experimentos em junções Josephson únicas só recentemente observaram comportamento não recíproco. Baumgartner et al.6 usaram um gás de elétrons bidimensional acoplado por proximidade com forte interação spin-órbita, Pal et al.7 observaram comportamento semelhante a um diodo em junções supercondutoras próximas a um semimetal topológico e Diez-Merida et al.8 em grafeno de bicamada torcida. Embora esses dispositivos necessitassem de campos magnéticos externos para induzir o efeito diodo, Wu et al.10 demonstraram retificação em uma junção NbSe2/Nb3Br8/NbSe2 sem campos magnéticos 15.

Aqui relatamos que a inserção de um único átomo pode induzir um comportamento semelhante ao de um diodo em junções Josephson implementadas usando um microscópio de tunelamento de varredura (STM). O acoplamento Josephson com e sem adátomos tem sido investigado há muito tempo usando STMs com pontas supercondutoras, com foco na espectroscopia de processos de tunelamento e excitações 16,17,18, ondas de densidade de pares 19, difusão de fase 20, tunelamento assistido por fótons 21,22,23, espectroscopia Josephson 24,25 e transições 0–π26. Embora trabalhos anteriores sobre junções de átomo único tenham se concentrado em junções polarizadas por tensão, os efeitos de diodo requerem medições polarizadas por corrente. Realizamos junções Josephson polarizadas por corrente e encontramos um comportamento semelhante ao de um diodo ao incluir um único átomo magnético. Mostramos que a magnitude e o sinal do efeito diodo podem ser ajustados pela escolha das espécies atômicas. Isso torna nossos diodos Josephson de átomo único uma plataforma promissora para estudos de diodos supercondutores, em particular quando combinados com manipulação de átomo único para montar os átomos em nanoestruturas.