R.Seoane, M. Leijnse, C. Schrade, «Josephson Diode Effect in Supercurrent Interferometers», publicado en Physical Review Letters ha sido seleccionado como uno de los 2 artículos destacados del semestre Octubre-Marzo 2023.

 

Los dispositivos electrónicos están muy presentes en nuestra vida, siendo responsables de una parte significativa de la energía que consumimos a diario. Los dispositivos no recíprocos poseen propiedades electrónicas diferentes dependiendo de la dirección. Éstos son la base de la electrónica semiconductora, formando parte de rectificadores de corriente, convertidores de energía y fotodetectores, entre otros. El diodo destaca como un ejemplo simple y paradigmático, que permite o impide el flujo de corriente según la polaridad de la tensión aplicada.

Los superconductores son materiales que pueden conducir corriente eléctrica sin resistencia cuando son enfriados por debajo de una cierta temperatura crítica. Esta propiedad exótica los convierte en materiales prometedores para el desarrollo de dispositivos sin disipación y la búsqueda de nuevas aplicaciones. Las uniones de Josephson, que consisten en dos superconductores separados por otro material, desempeñan un papel fundamental en este avance. Cuando los superconductores tienen diferentes fases, una corriente electrónica fluye sin resistencia (supercorriente). Generalmente, la supercorriente en uniones Josephson es recíproca, es decir, puede circular la misma supercorriente en las dos direcciones de la unión. Sin embargo, investigaciones recientes han descubierto que la supercorriente puede mostrar un comportamiento no recíproco en presencia de magnetismo y ruptura de simetría de inversión [1]. Esto quiere decir que la supercorriente puede ser mayor en una dirección que en otra, lo que se puede aprovechar para diseñar diodos superconductores.

(a) Propuesta de diodo superconductor, compuesto por dos uniones Josephson, donde el flujo magnético (Φ) y los gates controlan la respuesta. (b) Ejemplo donde las dos uniones tienen una supercorriente con diferentes armónicos. La corriente resultante (naranja) es asimétrica. (c) Ejemplo realista donde las uniones Josephson son contactos atómicos entre los superconductores. En rojo y azul mostramos las corrientes máximas en las dos direcciones. (d) Diferencia entre las corrientes en las dos direcciones normalizadas, en función del flujo magnético y de la transmisión de una de las uniones.

En nuestro artículo [2], proponemos un nuevo tipo de dispositivo diodo superconductor basado en la interferencia de la supercorriente que fluye a través de dos uniones Josephson (también conocido como SQUID por sus siglas en inglés), Fig. 1(a). El sistema muestra un comportamiento no recíproco cuando la corriente de las dos uniones tiene un contenido armónico distinto con la diferencia de fase de los superconductores. Esto se ilustra esquemáticamente en la Fig. 1(b), donde se utiliza un ejemplo matemático sencillo en el que las dos uniones tienen armónicos puros de primer y segundo orden, respectivamente. Un flujo magnético desplaza la relación corriente-fase entre ellas, lo que resulta en una interferencia constructiva o destructiva según la dirección, como ilustra la curva roja.

Por lo tanto, el efecto diodo descrito es bastante general y requiere solo tres ingredientes: (1) altos armónicos en la supercorriente; (2) contenido armónico diferente entre las dos uniones; (3) un flujo magnético que no sea un múltiplo semi-entero del cuanto de flujo (). Esto se ilustra en la Fig. 1 (c,d), donde se representa la eficiencia del diodo para una situación experimentalmente relevante. Estas condiciones se pueden lograr en una amplia gama de sistemas, independientemente de su naturaleza. Como ilustración, el efecto diodo que hemos predicho se ha medido recientemente en uniones metálicas [3] y sistemas semiconductor-superconductor [4,5], confirmando nuestras predicciones y demostrando la capacidad de ajuste mediante electrodos.

Nuestra propuesta abre interesantes perspectivas para el futuro. En primer lugar, los diodos de supercorriente pueden ayudar a desarrollar una nueva electrónica sin disipación, basados en supercorriente en lugar de corriente. Además, los elementos superconductores también pueden funcionar a altas frecuencias (tiempos de respuesta menores), superando una limitación fundamental de los dispositivos semiconductores. Por último, el dispositivo esbozado puede ajustarse a un régimen útil para qubits protegidos, en el centro del patrón en forma de flor en la Fig. 1(d), marcado con una cruz. Este régimen, también estudiado en nuestro artículo [2], ha sido demostrado recientemente en dos trabajos independientes [5,6], sentando las bases para el diseño de una nueva generación de dispositivos cuánticos robustos al ruido externo.

 

[1] F. Ando, et al., Observation of superconducting diode effect, Nature 584, 373 (2020).

[2] R. Seoane Souto, M Leijnse, and C Schrade, Josephson diode effect in supercurrent interferometers, Phys. Rev. Lett. 129, 267702 (2022).

[3] A. Greco, Q. Pichard, and F. Giazotto, Josephson diode effect in monolithic dc-SQUIDs based on 3D Dayem nanobridges, arXiv:2306.12765 (2023).

[4] C. Ciaccia, et al., Gate Tunable Josephson Diode in Proximitized InAs Supercurrent Interferometers, arXiv:2304.00484 (2023).

[5] M. Valentini et al., Radio frequency driven superconducting diode and parity conserving Cooper pair transport in a two-dimensional germanium hole gas, arXiv:2306.07109 (2023)

[6] C. Ciaccia, et al., arXiv:2306.05467 (2023).