초전도 2차원 전자 가스 플랫폼의 확장 가능한 양자 집적 회로

Engineering
 

Summary

2차원 전자가스(2DEG)로서0.75Ga0.25를기반으로 하는 평면 및 탄도 요셉슨 접합부(JJS)의 배열로 구성된 양자 집적 회로(QIC)가 입증되었습니다. 2차원(2D) JJ와 QIC의 제조를 위한 두 가지 방법이 논의된 후, 켈빈 이하의 온도에서 양자 수송 측정을 시연합니다.

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Delfanazari, K., Ma, P., Puddy, R., Yi, T., Cao, M., Gul, Y., Richardson, C. L., Farrer, I., Ritchie, D., Joyce, H. J., Kelly, M. J., Smith, C. G. Scalable Quantum Integrated Circuits on Superconducting Two-Dimensional Electron Gas Platform. J. Vis. Exp. (150), e57818, doi:10.3791/57818 (2019).

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Abstract

하이브리드 초전도체-반도체(S-Sm) 접합부에서 일관된 양자 수송을 형성하려면 두 가지 다른 재료 간의 균일하고 배리어 프리 인터페이스의 형성이 필요합니다. 높은 인터페이스 투명도를 가진 S-Sm 접합부는 유도된 하드 초전도 갭의 관찰을 용이하게 하며, 이는 위상(TP)에 액세스하고 마요라나 제로와 같은 이국적인 준입자를 관찰하는 핵심 요구 사항입니다. 하이브리드 시스템의 모드(MZM)를 제공합니다. 따라서 TP의 관찰을 지원하고 복잡하고 분지된 형상을 실현할 수 있는 재료 플랫폼은 양자 처리 및 컴퓨팅 과학 기술에서 매우 까다롭습니다. 여기서, 하이브리드 양자 집적 회로(QIC)의 기초가 되는 반도체 2차원 전자가스(2DEG)에서 근접 유도 초전도를 연구하고 2차원 재료 시스템을 도입한다. 2DEG는 30 nm 두께에서0.75Ga0.25양자 우물로 이종 구조에서 장벽으로0.75Al0.25사이에 묻혀 있다. 니오브(Nb) 필름은 대칭, 평면 및 탄도인 -Nb 조셉슨 접합부(JJs)로서0.75Ga0.25에서Nb-0.25를 형성하는 초전도 전극으로 사용된다. JJ와 QIC를 형성하기 위해 두 가지 다른 접근 방식을 사용했습니다. 긴 접합부는 포토리소그래피로 제작되었지만, e-빔 리소그래피는 짧은 접합부 제작에 사용되었습니다. 자기장 B의 존재/부재 시 온도 함수로서의 일관된 양자 수송 측정이 논의된다. 두 장치 제조 접근법 에서, 근접 유도 초전도 특성은 In0.75Ga0.25as 2DEG에서 관찰되었다. e-빔은 훨씬 더 높은 온도 범위에서 유도 된 초전도 갭을 관찰하는 결과로 짧은 길이의 jJs를 리터소그래피 패턴으로 하는 것으로 나타났습니다. 재현 가능하고 깨끗한 결과는0.75Ga0.25를기반으로 하는 하이브리드 2D JJ와 QIC가 실제 복잡하고 확장 가능한 전자 및 광양자 양자를 실현하는 유망한 재료 플랫폼이 될 수 있음을 시사합니다. 회로 및 장치.

Introduction

조셉슨 접합부(JJ)는 두 초전도체(1) 사이에 비초전도(normal)물질의 얇은 층을 끼워서 형성된다. 다양한 새로운 양자 전자 및 포토닉 회로 및 장치는 JJs2,3,4,5,6,7,8을기반으로 구축 할 수 있습니다. 9,10,11,12,13,14,15,16. 그 중에서도 반도체를 비초전도(일반) 부품으로 사용하는 JJ, 초전도반도체-초전도체(S-Sm-S) JJS는 이국적인 마요라나 입자를 검출한 후 최근 몇 년 동안 많은 주목을 받고 있습니다. 초전도체 및 반도체 1차원(1D) 나노와이어17,18,19,20,21의계면에서 전기전하 제로 22. 나노 와이어 기반 하이브리드 장치는 나노 와이어의 1D 지오메트리 및 그 중 Y 및 / 또는 T 구조의 제조로 제한됩니다 - 마요라나 편조에 필요한 요구 사항은22에 도전적이다. 나노 와이어의 화학 적 전위, 위상에 액세스하기위한 미세 조정은 나노 와이어에서 복잡한 장치 제조에 꽤 많은 문제를 일으키는 여러 정전기 게이트와 JJs를 필요로한다. 1D 와이어의 확장성 문제를 극복하기 위해, 2차원(2D) 재료 플랫폼은 매우 바람직하다(19,22).

2D 재료 중에서, 2차원 전자가스(2DEG) 플랫폼-반도체 이종구조에서 두 개의 상이한 물질 사이의 계면에밀폐되는 형태-가장 유망한 후보물질(22)이다. 2DEG와 초전도체 및 하이브리드 2D JJ의 결합은 위상 양자 처리 및 컴퓨팅과 같은 차세대 확장 가능한 양자 시스템의 개발을 향한 새로운 길을 열어줍니다. 위상 관측의 기본 요구 사항인 높은 전송 확률로 위상 응집체 양자 수송 및 근접 유도 초전도성을 지원할 수 있습니다. 이와 관련하여, 우리는 20 개의 와이어로 제어 할 수있는 탄도 2D JJ의 배열로 구성된 칩에 QIC를 시연합니다. 각 접합부는 초전도 부체로서 2개의 Nb 전극을 가지며,0.75Ga0.25에서는일반 부품으로서 반도체 이종 접합부에 양자 우물로 되어 있다. 웨이퍼는 복잡한 구조와 네트워크로 구성된 QiC를 형성하기 위해 쉽게 패터비터드할 수 있습니다.

In0.75Ga0.25AS 2DEG의 장점은 다음과 같습니다: (i) 상대적으로 큰 g-factor, (ii) 강한 라시바 스핀-궤도 커플링, (iii) 낮은 전자 유효 질량, 및 (iv) 인듐 조성물을 조정하여 형성을 허용하는 것 높은 인터페이스 투명성 JJS의23,24,25. 웨이퍼는 최대 10cm 디미터의 디스크로 성장하여 수천 개의 하이브리드 2D JJ 및 복잡한 QIC 네트워크를 제작할 수 있으므로 이러한 양자 장치의 확장성 문제를 극복할 수 있습니다.

장치 제작에 대한 두 가지 다른 접근 법을 논의합니다 : 장치 1의 경우 850 nm 길이의 8 개의 동일하고 대칭JJs와 4 μm 너비를 포함하는 회로는 포토 리소그래피23,24로패턴화됩니다. 장치 2에는 길이가 다른 8개의 접합이 포함되어 있습니다. 그들은 모두 3 μm의 동일한 폭을 갖는다. JJ는 e-bam 리소그래피25로패턴화되어 있습니다. 자기장의 부재/존재 시 켈빈 서브 켈빈 온도 범위의 수송 측정이 제공됩니다. 온칩 QiC는 2D Nb-in0.75Ga0.25AS -Nb JJs의 배열로 구성됩니다. 길고 짧은 접합부는 각각 40 mK의 기저 온도와 액체 3그는 300mK의 기본 온도로 저온 유지를 냉각 희석 냉장고에서 측정된다. 장치는 접합 dc 전압 바이어스에 중첩되는 70Hz에서 5 μV의 ac-신호로 편향됩니다. 2 단자 표준 잠금 기술은 장치 출력 ac-current23,24,25를측정하는 데 사용됩니다.

Protocol

참고 : 반도체 이종 구조 및 하이브리드 S-Sm 조셉슨 접합 제조가 제공됩니다.

1. 반도체 이종 구조 제작

참고: 분자빔 에피탁시(MBE)는0.75Ga0.25에서성장하여 양자우물이 본 연구에서 사용됨에 따라23,24,25,26. 그림 1은 별개의 레이어의 시퀀스를 도시합니다.

  1. 500 μm 두께의 3 인치 반 절연 (001) GaAs 기판을 청소하고 고온 (200 ° C 이상)에서 산화물 층을 제거합니다26.
  2. 580 °C에서 성장 온도를 조정하고 50/75/250 nm26의두께로 GaAs/AlAs/GaAs 필름의 완충층을 성장시킴을 냅니다.
  3. 기판 온도를 20분 동안 내려간 다음 T= 416, 390, 360, 341, 331 및 337°C26의시작 기판 온도에서 1300 nm 두께의 InAlAs의 단계급 완충층을 성장시다.
  4. 30 nm 두께로 성장0.75Ga0.25양자 우물 2DEG로 약간 높은 기판 온도26.
  5. 2DEG 양자를 60 nmIn0.75Al0.25스페이서로서 잘 커버한 다음, 변조는0.75Al0.25로n형의 15 nm 두께로 웨이퍼를 도프한다. 이것은 어두운26의전도도를 보장합니다.
  6. 45 nm에서0.75Al0.25층으로성장한 다음 두께가 2 nm26인InGaAs의 캡 층이 뒤따릅니다.
  7. Shubnikov-de Haas 진동 및 홀 효과의 측정을 수행하여 온도 T= 1.5 K26에서전자 밀도 (ns) 및 이동성(μe)을찾습니다. 전송 측정에서, ns= 2.24 × 1011 (cm-2)및 μe= 2.5 × 105 (cm2/Vs) 어둠 속에서 는 2.28 × 1011 (cm)로 추론되었습니다. -2) 및 μe= 조명 후 2.58 × 105 (cm2/Vs)

2. 2 차원 조셉슨 접합 제작

참고 : 여기서, 두 가지 다른 접근 방식을 가진 하이브리드 QiC의 제조 공정은23,24,25에대해 논의된다. 8개의 동일한 긴 조셉슨 접합부가 있는 장치 1은 몇 단계의 포토리소그래피 처리로만 제작되었습니다. 제2 장치 제조 절차는 전자빔-리소그래피를 단계적으로 사용하는 JJ의 형성까지 장치 1과 유사했다.

  1. AutoCad 소프트웨어25를사용하여 메사 및 오믹 패턴을 포함한 JJs 및 QIC 장치 레이아웃을 스케치합니다. 도면층 선택기 메뉴를 형성하기 위해 적절한 레이어를 선택하여 도면을 시작합니다. 형식에서 새 레이어 만들기 | AutoCad 소프트웨어의 레이어입니다.
  2. 포토리소그래피 마스크를 디자인하고 제작합니다. 소프트웨어의 패널 메뉴에서 원하는 모양과 형상을 선택합니다. JJs의 원하는 모양 (즉, 사각형, 사각형)을 클릭하고 모양을 시작하기 위해 그리기 창을 밀어 (자세한 내용은 Autocad 소프트웨어 도움말 메뉴를 클릭).
  3. JJS 및 QICs 설계를 패턴화하고, 웨이퍼상에서 포토레지스트를 개발한 후,H2SO 4의 산성 용액에 습식식에 의해 활성영역(도 1의상승 영역)으로 작용하는 메사 구조를 제작합니다: H2O2 : (1:8:1000)23,24,25. 장치를 DI 물로 30s로 헹구고 질소 가스로 건조시십시오.
  4. DEKTAK 표면 프로파일러23,24,25에의해 ~ 150 nm의 식각 깊이를 보장합니다.
  5. 오믹 접점 형성, 금속과 2DEG 사이의 전기 적 접촉을 만들기 위해, 웨이퍼 의 상단에 포토 레지스트를 회전한 다음 포토 마스크를 통해 UV 광에 노출하여. 저항 패턴샘플23,24,25위에50 nm와 100 nm의 금/게르마늄/니켈(AuGeNi) 합금을 1분 동안 MF-319에서 개발한다.
  6. 전술한 산에서 의한 산에서 2D JJ를 형성하는 활성 영역 의 상부에 \u2012 140 nm 깊은 트렌치 (JJs는 오믹 접촉에서 멀리 형성되어야한다, 의 거리) > 100 μm, 이 부분에서 정상적인 전자가 접합의 인터페이스에 영향을 미치지 않도록 하기 위해)23,24,25.
  7. 스퍼터 nm 초전도 Nb 필름은 Nb-In0.75Ga0.25As-Nb JJS (AR 플라즈마에서 DC 마그네트론 스퍼터링에 의해),
  8. 전기 접점 및 운송 측정을 위해 10/50 nm 두께의 Ti/Au 필름을 증착합니다.
  9. GE 바니시를 사용하여 표준 무연 칩 캐리어(LCC)에 장치를 전송 및 로드하고, 골드 와이어를 사용하여 장치와 LCC 패드 사이의 전기 적 접촉을 합니다.
  10. 전송 측정을 위해 3그는 저온 또는 희석 냉장고에 장치를로드합니다.

Representative Results

그림 2 a는 디바이스 1의 주사 전자 현미경(SEM) 영상을 나타낸다. 20개의 전선이 있는 양자 회로를 볼 수 있습니다. 이 설계를 통해 하나의 냉장고쿨다운칩에서 하나 또는 일련의 JJ를 측정할 수 있습니다. e-빔 리소그래피에 의해 제작된 디바이스 2의 회로상에 있는 하나의 접합부 SEM 이미지는 그림 2b에도시되어 있다. Nb-In0.75Ga0.25As-Nb 접합부의 각 측에 있는 두 Nb 필름 사이의 거리는 가장 짧은 경로에서 L= 550 nm이다. 그림 2 c는 포토리소그래픽으로 제작된 장치 1의 한 접합부SEM 이미지를 보여줍니다. 여기서, 2개의 Nb 전극은 L=850 nm의 거리로 분리된다.

블론더-팅컴-클랩위크(BTK) 이론은 하이브리드 S-Sm 접합부(27)에서양자 수송을 설명하는 데 허용되는 모델이다. 반도체 2DEG에서 초전도차 파라미터의 영향으로 비선형 차등 전도도가 발생합니다. 저온에서는 Nb-In0.75Ga0.25인터페이스에서 두 가지 가능한 반사 메커니즘이 있습니다: 인터페이스를 통해 전하 전달을 일으키지 않는 일반 반사와 두 개의 전하를 전송하는 Andreev 반사 양자 2전자,구멍23,24,25의역반사와 함께 . 초전도 응축수는 스핀 싱글트 쿠퍼 쌍으로 구성되며, 반사된 구멍은 들어오는 전자와 반대의 스핀을 가짐을 가짐에 따라. 이 두 프로세스의 만화 다이어그램은 도 3a,b,각각28에도시되어 있습니다.

Nb와 In0.75Ga0.25사이의 계면이 접촉이 투명하지 않은 경우, 정상 및 안드레예프 반사 전자의 공존이 있다. 따라서, 저항이 증가하고 갭 내에서 제로 바이어스 피크가 형성된다. dV/dI(V SD)의이러한 갭 피크는 접합부에서 관찰되지 않습니다. 그러나 Nb 필름과0.75Ga0.25사이의 균일하고 배리어 프리(Z=0) 인터페이스의 경우, 모든 입사 전자는 안드레예프 반사를 겪습니다. 이러한 조건에서, 과잉 전류 Iexc는 전자-및 구멍 유사 준입자의 상관관계로 인해 접합부에서 형성된다. 따라서, 갭 내의 차동 저항이 감소하고 dV/dI(V SD)에서평평한 U자형 딥이 관찰된다. BTK 모델에 따르면, Nb-In0.75Ga0.25에서 형성된 터널링 장벽이 두 장치의 인터페이스로서 유추될 수 있다. 따라서 장벽 강도는 접합부(23,24,25)에서Z&0.2로 추정된다.

근접 효과로 인해, 약 Δind의 유도된 갭은 100 μeV, 및 650 μeV는 각각 장치 1 및 2에서 측정된다. 온도 의존유도 초전도 갭과 뚜렷한 아고조닉 에너지 갭 구조(SGS) 피크 및 디바이스 1에 대한 딥은 도 4a에도시된 것이다. Nb-In0.75Ga0.25의계면에서 의 다중 안드레예프 반사(MAR)는 접합부로서 차동 전도도에서 SGS의 관찰을 초래한다. 가장 낮은 측정 온도 T= 50mK(빨간색 곡선)에서 SGS는 3개의 피크(P1, P2 및 P3)와 3개의 딥(d1, d2 및 d3으로 명명됨)으로 나타납니다. 온도 상승에 따른 유도초전도의 억제로 인한 피크 및 강하의 온도 진화는 도 4b에도시되어 있다. SGS 피크 위치는 표현 V = 2Δ /ne (Δ는 Nb 갭 에너지, n = 1, 2, 3, ... 정수이며 전자 전하: P1, P2, P3 및 P4 위치는 대략 2Δ/3e, 2Δ/4e, 2Δ/6e 및 유도된 갭 엣지에 해당하지만 딥 위치는 발현을 따르지 않습니다. 모든 특징은 온도에 크게 의존하며, 가장 강한(가장 약한) SGS 피크(딥)는 T= 50mK(800mK)에서 관찰됩니다. 초전류가 더 이상 보이지 않는 T= 500 mK 이상의 온도에서도 SGS가 관찰되지만 T > 800 mK에서 사라지므로 초전도가 씻겨 나오더라도 언급 할 가치가 있습니다.

이 장치의 경우 8개의 2D JJs배열을, 7개 접합 중 4개에서, 2DEG로서0.75Ga0.25에서하드 유도 초전도 갭이23,24로발견되었다. 그러나, 3개의 접합부는 소프트 갭 시그니처를 나타내었으며 장치와 패드 사이의 와이어 접촉 실패로 인해 마지막 접합부에서 하드 갭 구조도 관찰되지 않았다.

장치 2의 적용 V SD 전압 및 온도의 함수로서 초전도 갭은 5a에 도시되어 있다. 이 장치는 T= 280 mK의 기본 온도로 3He 저온 장치에서 측정되었다. 장치 2의 온도 및 자기장 의존성 전송 측정은 디바이스 1에 대해 관찰되는 갭 또는 서브 갭 진동의 어떠한 징후도 나타내지 않는다(도 5a, b참조). 이는 MAR의 파괴적인 간섭을 일으킬 수 있는 접합부의 화살표 모양 의 형상 때문일 수 있습니다. 이러한 특징은 장치가 훨씬 낮은 온도(희석 냉장고 기본 온도)에서 측정되는 경우 차동 전도도에 나타날 수 있습니다. 유도된 갭이 억제되고 제로 전압 바이어스방향으로 이동되며, 적용된 온도와 자기장이 더욱 증가함에 따라 진폭이 감소합니다.

Figure 1
그림 1 . 에서0.75Ga0.25로/에서0.750.25로/GaAs 이종 구조. 30 nm 두께의 양자웰로서0.75Ga0.25로웨이퍼 표면 아래에 \u2012120 nm가 형성되는 이종접션의 개략도. Nb는 초전도 접점(검은색으로 나타남)을 사용하여 하이브리드 및 탄도 Nb-In0.75Ga0.25as 2DEG-Nb 조셉슨 접합을 형성하였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 2
그림 2 : 온칩 하이브리드 초전도-반도체 양자 회로. (a) 칩상에 20개의 제어 와이어와 8개의 평면 및 대칭 JJ를 가진 양자 회로의 상단 뷰를 보여주는 QiCs 장치의 SEM 이미지. Nb-In0.75Ga0.25As-Nb JJs의 SEM 이미지는 길이 L= 550 nm 및 850 nm의 길이 로0.75Ga0.25As-Nb JJs로 제작된 접합부(b) 및 광석도(c) 제작 접합부 . 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 3
그림 3 . 하이브리드 초전도-반도체 접합부에서 정상 및 안드레예프 반사. (a) 인터페이스를 통한 전하 전달 없이 반사 된 준 입자 반사. (b) 안드레예프 반사는 들어오는 전자가 반대 스핀 서브 밴드의 구멍으로 반사되는 반면, 2e 전하를 초전도 전극으로 전달한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 4
그림 4 . 0.75Ga0.25에서초전도 및 SGS를 유도하여 포동렬로 제작된 접합부에서 양자 우물로. (a) 여러 안드레예프 반사로 인해 SGS 피크가 뚜렷한 초전도 갭을 유발한 온도 의존도. SGS 및 유도된 갭 엣지 피크는 P1에서 P4로 표시되고 SGS 딥은 d1에서 d3로 표시됩니다. (b) SGS피크 및 딥은 (a)에 온도의 함수로 도시된다. SGS는 T> 400 mK에서 크게 억제되어 제로 바이어스로 전환됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 5
그림 5 . 전자 빔 리터소그래피 접합부에서 유도된 초전도의 온도 및 자기장 의존성. (a) 300 mK와 1.5 K 사이의 온도에서 소스 드레인 전압 VSD에 대한 초전도 갭 을 유도했습니다. 커브는 명확성을 위해 수직으로 오프셋됩니다. (b) T= 300 mK에서 VSD 및 수직 자기장의 함수로 색상 코드 차동 저항. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

초전도 인듐 갈륨 비소를 기반으로 JJ의 배열을 포함하는 온 칩 QiCs(0.75Ga0.25로) 양자 우물을 입증하였다. 확장성 및 인터페이스 투명성과 같은 하이브리드 S-Sm 소재 시스템의 두 가지 중요한 과제를 해결했습니다. 0.75Ga0.25에서고품질 및 높은 이동성의 성장을 포함하는 프로토콜을 징징하는 두 가지 중요한 단계는 반도체 이종 구조의 2차원 전자 가스로 2DEG로 초전도유도 초전도를 유도하였다. 논의23,24,25.

0.75Ga0.25의성장은 GaAs 기판의 단계급 완충층과 마찬가지로 초전도체와 반도체 사이의 균질하고 배리어프리 인터페이스의 형성도 이러한 하이브리드 2D 양자 회로에서 중요한 단계입니다. 개발. 스퍼터드 초전도 필름을 신중하게 에칭하여0.75Ga0.25에매우 투명한 접촉을 만들 수 있는 양자 우물로 반도체23에서 유도된 초전도 갭을 검출하는 것으로 입증되었습니다. , 24세 , 25.

기존 방법에 대한 중요성은 2D 하이브리드 JJ및 회로 실현을 위한 제시된 기술이 반도체 성장 후 MBE 챔버에서 반도체에 초전도체의 인시투 증착을 필요로 하지 않는다는 것입니다. 완료23,24,25. 또 다른 의미는 이종 구조 웨이퍼가 최대 10cm 직경의 책상으로 성장하여 수천 개의 하이브리드 2D 접합 및 회로를 제작할 수 있으므로 하이브리드 S-Sm 양자 회로 및 장치의 확장성 문제를 극복할 수 있다는 것입니다. 22세 , 23세 , 24세 , 25.

양자 우물의 유도 초전도율, 2D 접합부차 전도도에 대한 SGS, 그리고 우리의 접합부에서 측정된 위상 일관된 탄도 양자 수송은 초전도에 기초한 하이브리드 2D 접합및 회로를 강력하게 제안합니다. 0.75 Ga0.25As 2DEG는 확장 가능한 양자 처리 및 컴퓨팅 기술을 위한 유망한 재료 시스템을 제공합니다. 우리의 접근 방식은 양자 기술을 향한 새로운 길을 열 수 있으며 차세대 양자 프로세서23,24,25를실현하기 위한 온칩 토폴로지 양자 회로의 개발을 위한 길을 열어줍니다.

Disclosures

저자는 공개 할 것이 없다.

Acknowledgments

저자는 EPSRC에서 재정 지원을 인정, MQIC를 부여.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
CompactDAQ Chassis National Instruments NI cDAC-9178
DSP Lock-in Amplifier AMETEK 7265 190284-A-MNL-C
Dilution refrigerator Blueforce Buttom loaded fridge
Dilution refrigerator Oxford KelvinoxMX40 Wet-fridge
Diamond scriber MICROTEC Karl Suss HR 100
Dektak Surface Profilometer Veeco 3ST
Evaporator Edwards AUTO 306
Evaporator Edwards Coating system E306A
3He Cryostat Oxford
 Photoresist Spinner Headway Research Inc.  EC101DT-R790 
Matlab
Mask Aligner Karl Suss MJB 3
Source meter Keithley  2614B
Semiconducting heterostructure MBE Veeco  Gen III system MBE Grown wafers
Wire Bonder K&S  4524

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