Circuiti integrati quantistici scalabili sulla piattaforma di gas elettronico a due dimensioni superconduttori

Engineering
 

Summary

I circuiti quantici integrati (QIC) costituiti da una serie di giunzioni planari e balistiche di Josephson (JJ) basate su In0.75Ga0.25Come gas elettronico bidimensionale (2DEG) è dimostrato. Due diversi metodi per la fabbricazione dei JJ bidimensionali (2D) e dei QIC sono discussi seguiti dalla dimostrazione delle misurazioni del trasporto quantistico a temperature sotto Kelvin.

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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

Per formare un trasporto quantistico coerente nelle giunzioni ibride di superconduttori-semiconduttori (S-Sm), è necessaria la formazione di un'interfaccia omogenea e priva di barriere tra due materiali diversi. La giunzione S-Sm con elevata trasparenza dell'interfaccia faciliterà quindi l'osservazione del divario superconduttore duro indotto, che è il requisito fondamentale per accedere alle fasi topologiche (TP) e l'osservazione di quasiparticelle esotiche come Majorana zero (M-M) nei sistemi ibridi. Una piattaforma materiale in grado di supportare l'osservazione dei TP e permette la realizzazione di geometrie complesse e ramificate è quindi molto esigente nella scienza e nella tecnologia di elaborazione quantistica e calcolo. Qui, introduciamo un sistema di materiali bidimensionali e studiamo la superconduttività indotta dalla prossimità nel gas elettronico bidimensionale semiconduttore (2DEG) che è alla base di un circuito ibrido integrato quantistico (QIC). Il 2DEG è un 30 nm di spessore In0.75Ga0.25Come pozzo quantico che è sepolto tra due In0.75Al0.25Come barriere in un'eterostruttura. I film niobium (Nb) sono usati come elettrodi superconduttori per formare Nb- In0.75Ga0.25As -Nb Josephson junctions (JJ) che sono simmetrici, planari e balistici. Due diversi approcci sono stati utilizzati per formare i JJ e QIC. Le lunghe giunzioni sono state fabbricate fotolitograficamente, ma la litografia del fascio e-beam è stata utilizzata per la fabbricazione di brevi giunzioni. Vengono discusse le misurazioni coerenti del trasporto quantistico in funzione della temperatura in presenza/assenza del campo magnetico B. In entrambi gli approcci di fabbricazione del dispositivo, le proprietà superconduttrici indotte di prossimità sono state osservate in In0.75Ga0.25As 2DEG. Si è scoperto che i JJ litograficamente modellati con pattern e-pattern di lunghezze più brevi portano all'osservazione del divario superconduttore indotto a intervalli di temperatura molto più elevati. I risultati riproducibili e puliti suggeriscono che i JJ e i QIC ibridi 2D e QIC basati su In0.75Ga0.25Poiché i pozzi quantici potrebbero essere una piattaforma materiale promettente per realizzare il reale complesso e scalabile quantum elettronico e fotonico circuiti e dispositivi.

Introduction

Una giunzione Josephson (JJ) si forma inserendo un sottile strato di un materiale non superconduttore (normale) tra due superconduttori1. Vari nuovi circuiti e dispositivi quantistici elettronici e fotonici possono essere costruiti sulla base di JJ2,3,4,5,6,7,8, 9,10,11,12,13,14,15,16. Tra questi, i JJ con semiconduttori come parte non superconduttore (normale), o superconduttori-semiconduttori-superconduttori (S-Sm-S) JJ, hanno ricevuto molta attenzione negli ultimi anni dopo il presunto rilevamento di particelle esotiche di Majorana con zero cariche elettriche all'interfaccia di un superconduttore e di un nanofilo unidirezionale (1D) semiconduttore (1D)17,18,19,20,21, 22.I dispositivi ibridi basati su nanowire sono limitati alla geometria 1D del nanofilo e alla loro fabbricazione di strutture Y e/o T - un requisito necessario per la treccia di Majorana - è impegnativo22. La messa a punto del potenziale chimico del nanofilo, per l'accesso alle fasi topologiche, richiede JJ con diverse porte elettrostaticamente che causaun sacco di problemi nella fabbricazione complessa di dispositivi dai nanofili. Per superare i problemi di scalabilità dei cavi 1D, le piattaforme di materiali bidimensionali (2D) sono altamente desiderabili19,22.

Tra i materiali 2D, la piattaforma bidimensionale del gas elettronico (2DEG) -forma quando gli elettroni sono confinati a un'interfaccia tra due materiali diversi in un'eterostruttura a semiconduttore- è il candidato più promettente22. La combinazione di 2DEG con superconduttori e JJ 2D ibridi apre una nuova strada verso lo sviluppo di sistemi quantistici scalabili di prossima generazione come l'elaborazione quantistica topologica e l'informatica. Possono supportare il trasporto quantistico coerente in fase e la superconduttività indotta dalla prossimità con alta probabilità di trasmissione, che sono requisiti fondamentali per l'osservazione di fase topologica. A questo proposito, dimostriamo un QIC su un chip che consiste in una serie di JJ 2D balistici che possono essere controllati da 20 fili. Ogni giunzione ha due elettrodi Nb come parte superconduttrice e in0,75Ga0.25Come pozzi quantici in un'eterogiunzione semiconduttore come parte normale. Il wafer può essere facilmente modellato per formare strutture complesse e QIC collegati in rete.

I vantaggi di In0.75Ga0.25As 2DEG includono: (i) relativamente grande fattore g,(ii) forte accoppiamento spin-orbit rashba, (iii) la massa efficace dell'elettrone bassa, e (iv) che la composizione indium può essere sintonizzata permettendo la formazione di JJ con elevata trasparenza dell'interfaccia23,24,25. Il wafer può essere coltivato come un disco fino a 10 cm di metro, permettendo la fabbricazione di migliaia di JJ 2D ibridi e complesse reti QIC superando così le sfide di scalabilità di questi dispositivi quantistici.

Discutiamo di due diversi approcci per la fabbricazione del dispositivo: per il dispositivo 1, un circuito che comprende otto JJ identici e simmetrici di lunghezza 850 nm e 4 larghezze di m sono modellati da fotolitografia23,24. Il dispositivo 2 comprende otto giunzioni con lunghezze diverse. Hanno tutti la stessa larghezza di 3 m. I JJ sono modellati da litografia e-bam25. Saranno presentate le misurazioni del trasporto a intervalli di temperatura sub-Kelvin in assenza/presenza di campo magnetico. I QIC su chip è costituito da array di 2D Nb- In0.75Ga0.25Come -Nb JJs. Le giunzioni lunghe e corte sono misurate in un frigorifero di diluizione con una temperatura di base di 40 mK e liquido 3Ha raffreddato criostat con una temperatura di base di 300 mK, rispettivamente. I dispositivi sono di parte con un segnale acdi 5 V a 70 Hz che è sovrapposto alla distorsione di tensione dc giunzione. Viene utilizzata una tecnica di lock-in standard a due terminali per misurare l'uscita del dispositivo ac-current23,24,25.

Protocol

NOTA: vengono presentati l'eterostruttura del semiconduttore e la fabbricazione ibrida della giunzione S-Sm Josephson.

1. Fabbricazione di eterostruttura semiconduttore

NOTA: L'epitaxia del fascio molecolare (MBE) coltivata in0,75Ga0,25Poiché i pozzi quantici sono utilizzati in questo studio23,24,25,26. Figura 1 illustra la sequenza di livelli distinti:

  1. Pulire un substrato GaAs semi-isolante di 500 m spesso redatta da 3 pollici (001) e rimuovere lo strato di ossido ad alta temperatura (superiore a 200 )26.
  2. Regolare la temperatura di crescita a 580 gradi centigradi e aumentare lo strato di buffer delle pellicole GaAs/AlAs/GaAs con spessori di 50/75/250 nm26.
  3. Abbassare la temperatura del substrato per 20 min e poi crescere uno strato di buffer step-graded di InAlAs con uno spessore di 1300 nm a temperatura media del substrato di T : 416, 390, 360, 341, 331 e 337 C26.
  4. Crescere un 30 nm di spessore In0.75Ga0.25Come quantum well 2DEG a una temperatura del substrato leggermente superiore26.
  5. Coprire il pozzo quantico 2DEG con un 60 nm In0.75Al0.25Come distanziale, quindi modulare dope il wafer da un 15 nm di spessore di un n-type In0.75Al0.25As. Questo assicurerà la conduttanza al buio26.
  6. Crescere di 45 nm in0,75Al0.25Livello seguito da un livello cap di InGaAs con spessore di 2 nm26.
  7. Eseguire la misurazione delle oscillazioni di Shubnikov-de Haas e dell'effetto Hall per trovare la densità degli elettroni (ns) e la mobilità (e ) alla temperatura T- 1,5 K26. Dalle misurazioni del trasporto, è stato dedotto che il ns- 2,24,1011 (cm-2) e se2,5-105 (cm2/V) al buio, ma ns- 2,28-1011 (cm -2) e s.58-105 (cm2/V) dopo l'illuminazione.

2. Fabbricazione bidimensionale della giunzione Josephson

NOTA: Qui, il processo di fabbricazione dei QIC ibridi con due approcci diversi è discusso23,24,25. Il dispositivo 1 con otto giunzioni Josephson lunghe e identiche è stato fabbricato solo con pochi passi di lavorazione fotolitografica. La seconda procedura di fabbricazione del dispositivo era simile al dispositivo 1 fino alla formazione di JJ quale passo è stata utilizzata la litografia e-beam.

  1. Disegnare il layout del dispositivo JJ e QIC, inclusi i modelli mesa e ohmic utilizzando il software AutoCad25. Iniziare il disegno selezionando i layer appropriati per formare il menu di selezione dei layer. Creazione di un nuovo livello da Formato Livello nel software AutoCad.
  2. Progettare e fabbricare la maschera fotolitografica. Scegliere le forme e le geometrie desiderate dal menu del pannello nel software. Fare clic sulla forma desiderata di JJ (ad esempio, rettangoli, quadrati) e spingere la finestra di disegno per avviare la forma (fare clic nel menu di aiuto del software Autocad per ulteriori dettagli).
  3. Modello i jJ e QICs disegni, dopo aver sviluppato il fotoresist sul wafer, e fabbricare le strutture mesa per agire come la regione attiva (l'area rialzata in Figura 1) da bagnato-etch in soluzioni acide di H2SO4: H2O2 : (1:8:1000)23,24,25. Sciacquare il dispositivo in acqua DI per 30 s e poi asciugare con gas di azoto.
  4. Garantire una profondità di incisione di 150 nm da parte del profiler della superficie DEKTAK23,24,25.
  5. Formare contatti ohmici, per fare contatto elettrico tra il metallo e 2DEG, girando fotoresist sulla parte superiore del wafer e quindi l'esposizione alla luce UV attraverso una foto-maschera. Sviluppare la resistenza in MF-319 per 1 min. Depositare uno strato sottile, tra 50 nm e 100 nm di lega gold/germanium/nickel (AuGeNi) sul campione di resistenza23,24,25.
  6. Inciampare in una trincea profonda di 140 nm in cima alla regione attiva per formare JJ 2D da JJ fotolitograficamente (dispositivo 1) o e-beam litograficamente (dispositivo 2) e bagnato-etching in acido descritto sopra (i JJ dovrebbero essere formati lontano dai contatti ohmic, una distanza di > 100 m, per garantire che gli elettroni normali di questa parte non influenzino sulle interfacce della giunzione)23,24,25.
  7. Sputter un film N superconduttore di .u2012130 nm per formare0,75Ga0,25JJ As-Nb (da DC magnetron sputtering in Ar plasma),
  8. Deposita pellicole Ti/Au spesse 10/50 nm per contatti elettrici e misurazioni dei trasporti.
  9. Trasferire e caricare il dispositivo sul supporto standard per chip senza piombo (LCC) utilizzando la vernice GE e creare i contatti elettrici tra il dispositivo e i pad LCC utilizzando fili d'oro.
  10. Caricare i dispositivi in un frigorifero 3He cryostat o diluizione per le misurazioni di trasporto.

Representative Results

Figura 2 a mostra l'immagine sem (scansione dell'elettroscope) del dispositivo 1. Si può vedere un circuito quantistico con 20 fili elettrici. Il design permette la misurazione di uno o una serie di JJ su un chip in un frigorifero. L'immagine SEM di una giunzione sul circuito del dispositivo 2, che è stata fabbricata dalla litografia del fascio di e, è illustrata nella Figura 2b. La distanza tra due film Nb in ogni lato del junction Nb-In0,75Ga0,25As-Nb è L- 550 nm nel percorso più breve. Figura 2 c mostra l'immagine SEM di una giunzione del dispositivo 1- che è fotolitograficamente fabbricata. In questo caso, i due elettrodi Nb sono separati da una distanza di L- 850 nm.

La teoria Blonder-Tinkham-Klapwijk (BTK) è un modello accettabile per descrivere il trasporto quantistico nelle giunzioni ibride S-Sm27. L'influenza dei parametri di ordine dei superconduttori nel 2DEG semiconduttore determina una conduttanza differenziale non lineare. A basse temperature, ci sono due possibili meccanismi di riflessione al Nb-In0.75Ga0.25Come interfacce: riflessione normale che non provoca alcuna trasmissione di carica attraverso l'interfaccia e le riflessioni di Andreev, che trasmette due cariche quanti 2e, con la retroriflessione di un foro23,24,25. Poiché il condensato superconduttore è costituito da coppie di Cooper singoli di spin, il foro riflesso ha lo spin opposto dell'elettrone in entrata. Il diagramma cartoon di questi due processi è illustrato nella figura 3a,b, rispettivamente28.

Se l'interfaccia tra la Nb e In0.75Ga0.25Poiché il contatto non è trasparente, c'è coesistenza di elettroni riflessi sia normali che Andreev. Così, la resistenza aumenta e si forma un picco di distorsione zero all'interno del divario. Tale picco in-gap nel dV/dI (VSD) non è osservato nelle nostre giunzioni. Tuttavia, per un'interfaccia omogeneae priva di barriere (n. 0) tra la pellicola Nb e In0.75Ga0.25Come contatto, tutti gli elettroni incidenti subiscono la riflessione di Andreev. In tali condizioni, una corrente in eccesso Iexc si forma nella giunzione a causa di correlazioni di quasiparticelle elettrone e foro. Pertanto, la resistenza differenziale all'interno del divario è ridotta e si osserva un tuffo piatto a forma di U in dV/dI (VSD). Secondo il modello BTK, si può dedurre che nessuna barriera di tunneling formata al Nb-In0.75Ga0.25Come interfacce di entrambi i dispositivi. Di conseguenza, si stima che la resistenza della barriera sia di < 0,2 nei nostri incroci23,24,25.

A causa dell'effetto di prossimità, lo spazio indotto di circa 100 e 650 eV viene misurato rispettivamente nei dispositivi 1 e 2. Il divario superconduttore indotto dalla dipendenza dalla temperatura con marcate strutture di gap di energia subarmonica (SGS) e cali per il dispositivo 1 sono mostrati nella Figura 4a. Le riflessioni multiple di Andreev (MAR) alle interfacce del Nb-In0.75Ga0.25Come giunzione portano all'osservazione di SGS nella conduttanza differenziale. Alla temperatura misurata più bassa T- 50 mK (curva rossa), l'SGS appare con tre picchi (denominati P1, P2 e P3) e tre tuffi (denominati d1, d2 e d3). L'evoluzione della temperatura dei picchi e delle tuffi dovuta alla soppressione della superconduttività indotta con aumento di temperatura è illustrata nella Figura 4b. Le posizioni di picco SGS obbediscono all'espressione V : 2 , 2 , ovvero l'energia del gap nb, n , 1, 2, 3, ... è un numero intero, ed e è la carica dell'elettrone): P1, P2, P3 e P4 posizioni corrispondono approssimativamente a 2 s/3e, 2z/ 4e e il bordo gap indotto, ma le posizioni di tuffo non seguono l'espressione. Tutte le caratteristiche dipendono dalla temperatura e i picchi SGS (tuff) più forti (più deboli) sono osservati a Te 50 mK (800 mK). Vale la pena ricordare che anche a temperature superiori a T- 500 mK dove la supercorrente non può più essere vista, l'SGS si osserva ma scompare a T> 800 mK- quando la superconduttività indotta viene sbiadita.

Per questo dispositivo con una serie di otto JJ 2D, in 4 giunzioni su 7, un divario superconduttore indotto in In0.75Ga0.25Come 2DEG è stato trovato23,24. Tuttavia, tre giunzioni hanno mostrato una firma soft gap e non è stata osservata una struttura hard- né una struttura soft-gap per l'ultima giunzione a causa di un guasto di contatto del filo tra il dispositivo e il pad.

Il divario superconduttore in funzione della tensione VSD applicata e della temperatura del dispositivo 2 è illustrato nella Figura 5a. Questo dispositivo è stato misurato ad un 3Egli criostato con temperatura di base di T280 mK. La temperatura e le dipendenze del campo magnetico trasportano le misurazioni del dispositivo 2 non mostrano alcun segno di oscillazioni in-gap o sub-gap che si osservano per il dispositivo 1 (vedere figura 5a, b). Ciò potrebbe essere dovuto alla geometria a forma di freccia della giunzione che può causare interferenze distruttive del MAR. Tali caratteristiche potrebbero apparire nella conduttanza differenziale se il dispositivo è misurato a temperature molto più basse (temperatura di base frigorifero di luito). Il divario indotto viene soppresso e spostato verso una distorsione di tensione zero e le loro ampiezze diminuiscono con un ulteriore aumento della temperatura applicata e del campo magnetico.

Figure 1
Figura 1 . In0,75Ga0,25A/In0,75Al0,25As/GaAs eterostruttura. Sotto la superficie del wafer si forma una visione schematica dell'eterogiunzione in cui si forma un In0.75Ga0.25Come quantum ben con spessore di 30 nm, sotto la superficie del wafer. Nb è stato utilizzato come contatti superconduttori (mostrati in nero) per formare un ibrido e balistico Nb–In0.75Ga0.25Come 2DEG-Nb Josephson giunzione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2 : circuiti quantistici ibridi superconduttori-semiconduttori on-chip. (un) Immagine SEM del dispositivo QIC che mostra una vista superiore di un circuito quantistico con 20 fili di controllo e 8 JJ planari e simmetrici su un chip. L'immagine SEM di Nb-In0.75Ga0.25As-Nb JJs con un In0.75Ga0.25Come 2DEG di lunghezza L- 550 nm e 850 nm per e-beam litograficamente (b) e fotolisitograficamente (c) giunzioni fabbricate . Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3 . Riflessioni normali e andreev in giunzioni ibride superconduttrici-semiconduttrici. (a) Riflessione di quasiparticelle speculari senza trasmissione di carica attraverso l'interfaccia. (b) Riflessione di Andreev mentre l'elettrone in entrata viene riflesso come un buco nella sottobanda opposta e trasferisce la carica 2e nell'elettrodo superconduttore. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4 . La superconduttività e la SGS in In0,75Ga0,25Come pozzi quantici in giunzione fotolitograficamente fabbricata. (a) Dipendenza dalla temperatura indotta divario superconduttore con picchi SGS pronunciati a causa di molteplici riflessi Andreev. L'SGS e i picchi di bordo gap indotti, sono contrassegnati da P1 a P4, mentre i cali SGS sono contrassegnati da d1 a d3. (b) I picchi e i tuffi SGS mostrati nella (a) in funzione della temperatura. SGS sono soppressi in modo significativo a T> 400 mK che porta a uno spostamento verso la distorsione zero. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5 . La temperatura e la dipendenza dal campo magnetico della superconduttività indotta nelle giunzioni litograficamente fabbricate a fascio e-beam. (a) Divario superconduttore indotto rispetto alla tensione di drenaggio della sorgente applicata a VSD a temperature comprese tra 300 mK e 1,5 K. Le curve vengono sfalsate verticalmente per maggiore chiarezza. (b) Resistenza differenziale codificata a colori in funzione del VSD e del campo magnetico perpendicolare a Te 300 mK. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

Sono stati dimostrati QIC su chip che comprendono una serie di JJ basati su pozzi quantici superconduttori indium gallium (In0,75Ga0.25As). Sono state affrontate due importanti sfide dei sistemi materiali ibridi S-Sm, come la scalabilità e la trasparenza dell'interfaccia. Due passi critici che piagnucolano il protocollo, tra cui la crescita di alta qualità e mobilità, nello0,75Ga0,25Poiché il gas elettronico bidimensionale nelle eterostrutture semiconduttori e la superconduttività indotta dalla prossimità in 2DEG sono stati discusso23,24,25.

Crescita di In0.75Ga0.25Come con strati cuscinetto step-graded nel substrato GaAs e anche la formazione di interfacce omogenee e prive di barriere tra il superconduttore e semiconduttore è un passo cruciale in tale circuito quantistico ibrido 2D sviluppo. È stato dimostrato che con un'attenta incisione la pellicola superconduttrice sputtered può creare contatti altamente trasparenti con In0,75Ga0,25Come pozzi quantici con conseguente rilevamento del divario superconduttore indotto nei semiconduttori23 , 24 Mi lasa' di , 25.

L'importanza rispetto ai metodi esistenti è che la tecnica presentata per jJ ibridi 2D e la realizzazione del circuito non richiede la deposizione insitu di superconduttori su semiconduttori in una camera MBE dopo che la crescita dei semiconduttori è stata completato23,24,25. L'altro significato è che il wafer eterostruttura può essere coltivato come una scrivania fino a 10 cm di diametro, permettendo la fabbricazione di migliaia di giunzioni e circuiti 2D ibridi, superando così le sfide di scalabilità dei circuiti quantistici ibridi S-Sm e dei dispositivi 22 Milia , 23 del 23 o , 24 Mi lasa' di , 25.

La superconduttività indotta nei pozzi quantici, l'SGS sulla conduttanza differenziale delle giunzioni 2D e il trasporto quantistico balistico coerente in fase misurati nelle nostre giunzioni suggeriscono fortemente che le giunzioni e i circuiti 2D ibridi basati sulla superconduttrice In 0,75 (in questo 0,05) Ga0.25Come 2DEG permettersi un promettente sistema di materiali per tecnologie di elaborazione e calcolo quantistiche scalabili. Il nostro approccio potrebbe aprire una nuova strada verso la tecnologia quantistica e contribuire a spianare la strada allo sviluppo di circuiti quantistici topologici su chip per realizzare la prossima generazione di processori quantistici23,24,25.

Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Gli autori riconoscono il sostegno finanziario dell'EPSRC, grant MQIC.

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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