Circuitos integrados cuánticos escalables en plataforma de gas electrónico bidimensional superconductor

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Summary

Circuitos integrados cuánticos (QIC) que consisten en una matriz de uniones Josephson planas y balísticas (JJJ) basadas en In0.75Ga0.25Como gas electrónico bidimensional (2DEG) se demuestra. Dos métodos diferentes para la fabricación de los JJ y QIC bidimensionales (2D) son discutidos seguidos por la demostración de mediciones de transporte cuántico en temperaturas sub-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

Para formar un transporte cuántico coherente en uniones híbridas superconductor-semiconductor (S-Sm), es necesaria la formación de una interfaz homogénea y libre de barreras entre dos materiales diferentes. La unión S-Sm con alta transparencia de interfaz facilitará la observación de la brecha superconductora dura inducida, que es el requisito clave para acceder a las fases topológicas (TP) y la observación de cuasipartículas exóticas como Majorana cero (MZM) en sistemas híbridos. Una plataforma material que puede apoyar la observación de TPs y permite la realización de geometrías complejas y ramificadas es por lo tanto altamente exigente en el procesamiento cuántico y la ciencia y tecnología informática. Aquí, introducimos un sistema de material bidimensional y estudiamos la superconductividad inducida por proximidad en gas electrónico bidimensional semiconductor (2DEG) que es la base de un circuito integrado cuántico híbrido (QIC). El 2DEG es un 30 nm de espesor en0,75Ga0,25Como pozo cuántico que está enterrado entre dos En0,75Al0,25Como barreras en una heteroestructura. Las películas de niobio (Nb) se utilizan como electrodos superconductores para formar Nb- In0.75Ga0.25As -Nb Josephson junctions (JJs) que son simétricas, planas y balísticas. Se utilizaron dos enfoques diferentes para formar los JJ y los QIC. Las uniones largas fueron fabricadas fotolitográficamente, pero la litografía de haz electrónico se utilizó para la fabricación de uniones cortas. Se discuten las mediciones coherentes de transporte cuántico en función de la temperatura en la presencia/ausencia del campo magnético B. En ambos enfoques de fabricación de dispositivos, las propiedades superconductoras inducidas por proximidad se observaron en el In0.75Ga0.25As 2DEG. Se encontró que los JJ con patrón ilográfico de longitudes más cortas resultaron en la observación de la brecha superconductora inducida en rangos de temperatura mucho más altos. Los resultados que son reproducibles y limpios, lo que sugiere que los JJs y QIC sin 2D híbridos basados en In0.75Ga0.25As quantum wells podrían ser una plataforma de material prometedora para realizar el verdadero complejo y escalable cuántico electrónico y fotónico circuitos y dispositivos.

Introduction

Una unión Josephson (JJ) se forma mediante el emparedado de una fina capa de un material no superconductor (normal) entre dos superconductores1. Varios nuevos circuitos y dispositivos electrónicos cuánticos y fotónicos se pueden construir basados en JJs2,3,4,5,6,7,8, 9,10,11,12,13,14,15,16. Entre ellos, los JJ con semiconductores como su parte no superconductora (normal), o superconductor-semiconductor-superconductor (S-Sm-S) JJ, han recibido mucha atención en los últimos años después de la supuesta detección de partículas exóticas de Majorana con cero cargas eléctricas en la interfaz de un superconductor y un nanohilo unidimensional (1D) semiconductor17,18,19,20,21, 22. Los dispositivos híbridos basados en Nanowire se limitan a la geometría 1D del nanohilo y la fabricación de estructuras Y y/o T de ellos -un requisito necesario para la trenzado Majorana- es un reto22. La afinación fina del potencial químico de nanowire, para acceder a fases topológicas, requiere JJ con varias puertas electrostáticas que causa una gran cantidad de problemas en la fabricación de dispositivos complejos a partir de nanohilos. Para superar los problemas de escalabilidad de los cables 1D, las plataformas de materiales bidimensionales (2D) son altamente deseables19,22.

Entre los materiales 2D, la plataforma bidimensional de gas electrónico (2DEG) -se forma cuando los electrones se limitan a una interfaz entre dos materiales diferentes en una heteroestructura semiconductora- es el candidato22más prometedor. La combinación de 2DEG con superconductores y JJs 2D híbridos en formación abre una nueva vía hacia el desarrollo de sistemas cuánticos escalables de próxima generación, como el procesamiento cuántico topológico y la computación. Pueden soportar el transporte cuántico coherente de fase, y la superconductividad inducida por proximidad con alta probabilidad de transmisión, que son requisitos fundamentales para la observación de fase topológica. En este sentido, demostramos un QIC en un chip que consiste en una matriz de JJs 2D balísticos que pueden ser controlados por 20 cables. Cada unión tiene dos electrodos Nb como parte superconductora y En0,75Ga0,25Como pozos cuánticos en una heterojunción semiconductora como parte normal. La oblea se puede modelar fácilmente para formar estructuras complejas y QICs en red.

Las ventajas de In0.75Ga0.25As 2DEG incluyen: (i) relativamente grande g-factor, (ii) fuerte acoplamiento de órbita de giro Rashba, (iii) la masa efectiva de electrones bajos, y (iv) que la composición de indio se puede ajustar permitiendo la formación de JJ con alta transparencia de interfaz23,24,25. La oblea se puede cultivar como un disco de hasta 10 cm de dímetro, lo que permite la fabricación de miles de JJ híbridos 2D y redes QIC complejas, superando así los desafíos de escalabilidad de estos dispositivos cuánticos.

Hablamos de dos enfoques diferentes para la fabricación de dispositivos: Para el dispositivo 1, un circuito que incluye ocho JJ idénticos y simétricos de 850 nm de longitud y 4 mm anchos son estampados por fotolitografía23,24. El dispositivo 2 incluye ocho uniones con diferentes longitudes. Todos ellos tienen la misma anchura de 3 m. Los JJ están estampados por e-bam litografía25. Se presentarán las mediciones de transporte a rangos de temperatura sub-Kelvin en ausencia/presencia de campo magnético. Los QIC en chip consisten en una matriz de 2D Nb- In0.75Ga0.25As -Nb JJs. Las uniones largas y cortas se miden en un frigorífico de dilución con una temperatura base de 40 mK y líquido 3Enfrió criostato con una temperatura base de 300 mK, respectivamente. Los dispositivos están sesgados con una señal de CAde 5 V a 70 Hz que se superpone al sesgo de voltaje de CC de unión. Se utiliza una técnica de bloqueo estándar de dos terminales para medir la salida del dispositivo ac-current23,24,25.

Protocol

NOTA: Se presentan la heteroestructura de semiconductores y la fabricación híbrida de cruces S-Sm Josephson.

1. Fabricación de heteroestructuras semiconductoras

NOTA: La epitaxía del haz molecular (MBE) cultivada en0,75Ga0,25Como pozos cuánticos se utilizan en este estudio23,24,25,26. La Figura 1 representa la secuencia de capas distintas:

  1. Limpie un sustrato de GaAs semiaislante de 500 m de espesor y 3 pulgadas (001) y retire la capa de óxido a alta temperatura (por encima de 200 oC)26.
  2. Ajustar la temperatura de crecimiento a 580 oC y hacer crecer la capa tampón de películas GaAs/AlAs/GaAs con espesores de 50/75/250 nm26.
  3. Bajar la temperatura del sustrato durante 20 minutos y luego cultivar una capa tampón escalonada de InAlAs con un espesor de 1300 nm a temperaturas de sustrato inicial de T a 416, 390, 360, 341, 331 y 337 oC26.
  4. Crecer un 30 nm de espesor en0.75Ga0.25Como pozo cuántico 2DEG a una temperatura de sustrato ligeramente más alta26.
  5. Cubrir el pozo cuántico 2DEG con un 60 nm En0.75Al0.25Como espaciador, y luego modular dope la oblea por un espesor de 15 nm de un tipo n En0.75Al0.25As. Esto asegurará la conductancia en la oscuridad26.
  6. Crecer un 45 nm En0.75Al0.25Como capa seguida de una capa de tapa de InGaAs con espesor de 2 nm26.
  7. Realice la medición de las oscilaciones Shubnikov-de Haas y el efecto Hall para encontrar la densidad de electrones (ns) y la movilidad(e) a la temperatura Ta 1,5 K26. A partir de las mediciones de transporte, se dedujo que el nsá 2,24 x 1011 (cm-2) yel2,5 x 105 (cm2/Vs) en la oscuridad, pero nsa 2,28 x 1011 (cm) -2) yeá 2,58 x 105 (cm2/Vs) después de la iluminación.

2. Fabricación bidimensional de cruce Josephson

NOTA: Aquí, el proceso de fabricación de los QIC híbridos con dos enfoques diferentes se discuten23,24,25. El dispositivo 1 con ocho cruces largos idénticos de Josephson fue fabricado sólo con unos pocos pasos de procesamiento de fotolitografía. El segundo procedimiento de fabricación del dispositivo fue similar al dispositivo 1 hasta la formación de JJ que paso de la litografía e-beam- se utilizó.

  1. Dibuje el diseño de dispositivos JJ y QIC, incluidos los patrones mesa y ohmic utilizando el software AutoCad25. Inicie el dibujo seleccionando las capas adecuadas para formar el menú selector de capas. Crear una nueva capa a partir de Formato ? Capa en el software AutoCad.
  2. Diseñar y fabricar la máscara de fotolitografía. Elija las formas y geometrías deseadas en el menú del panel del software. Haga clic en la forma deseada de JJ (es decir, rectángulos, cuadrados) y presione la ventana de dibujo para iniciar la forma (haga clic en el menú de ayuda del software Autocad para obtener más detalles).
  3. Patrones de los diseños de JJ y QICs, después de desarrollar el fotorresistente en la oblea, y fabricar las estructuras de mesa para actuar como la región activa (el área elevada en la Figura 1) por wet-etch en soluciones ácidas de H2SO4: H2O2 : (1:8:1000)23,24,25. Enjuague el dispositivo en agua DI durante 30 s y luego seque con gas nitrógeno.
  4. Asegurar una profundidad de etch de 150 nm por el perfilador de superficie DEKTAK23,24,25.
  5. Formar contactos ohmicos, para hacer contacto eléctrico entre el metal y 2DEG, girando fotorresistente en la parte superior de la oblea y luego la exposición a la luz UV a través de una foto-máscara. Desarrollar la resistencia en MF-319 durante 1 min. Depositar una capa delgada, entre 50 nm y 100 nm de aleación de oro /germanio/níquel (AuGeNi) sobre la muestra de patrón de resistencia23,24,25.
  6. Etch una zanja de 140 nm de profundidad en la parte superior de la región activa para formar JJ 2D ya sea fotolitográficamente (dispositivo 1) o haz electrónico litográficamente (dispositivo 2) patrón y grabado húmedo en ácido descrito anteriormente (los JJs deben formarse lejos de los contactos ohmicos, una distancia de > 100 m, para asegurar que los electrones normales de esta parte no influyan en las interfaces de la unión)23,24,25.
  7. Sputter a .u2012130 nm superconductora Nb film para formar Nb-In0.75Ga0.25As-Nb JJs (por DC magnetron sputtering en plasma Ar),
  8. Deposite películas Ti/Au de 10/50 nm de espesor para contactos eléctricos y medios de medición de transporte.
  9. Transfiera y cargue el dispositivo en el portador de chip sin plomo (LCC) estándar utilizando barniz GE, y realice los contactos eléctricos entre el dispositivo y las almohadillas LCC mediante alambres de oro.
  10. Cargue los dispositivos en un criostato de 3he o refrigerador de dilución para mediciones de transporte.

Representative Results

Figura 2 a muestra la imagen del microscopio electrónico de barrido (SEM) del dispositivo 1. Se puede ver un circuito cuántico con 20 cables eléctricos. El diseño permite la medición de uno o serie de JJ en un chip en un refrigerador de enfriamiento. La imagen SEM de una unión en el circuito del dispositivo 2, que fue fabricado por litografía de haz electrónico, se muestra en la Figura 2b. La distancia entre dos películas Nb a cada lado de la unión Nb-In0.75Ga0.25As-Nb es de La 550 nm en el trayecto más corto. Figura 2 c muestra la imagen SEM de una unión del dispositivo 1- que se fabrica fotolitográficamente. Aquí, los dos electrodos Nb están separados por una distancia de La 850 nm.

La teoría Blonder-Tinkham-Klapwijk (BTK) es un modelo aceptable para describir el transporte cuántico en las uniones híbridas S-Sm27. La influencia de los parámetros de orden del superconductor en el 2DEG semiconductor da como resultado una conductividad diferencial no lineal. A bajas temperaturas, hay dos mecanismos de reflexión posibles en el Nb-In0.75Ga0.25As interfaces: reflexión normal que no causa transmisión de carga a través de la interfaz y las reflexiones Andreev, que transmite dos cargas quanta 2e, con la retroreflexión de un agujero23,24,25. Como el condensado superconductor consiste en pares Cooper singlete de espín, el agujero reflejado tiene el giro opuesto como el electrón entrante. El diagrama de dibujos animados de estos dos procesos se muestra en la Figura 3a,b, respectivamente28.

Si la interfaz entre el Nb y en0.75Ga0.25Como el contacto no es transparente, hay coexistencia de los electrones normales y Andreev reflejados. Por lo tanto, la resistencia aumenta y se forma un pico de sesgo cero dentro de la brecha. Este pico en el dV/dI (VSD) no se observa en nuestras uniones. Sin embargo, para unainterfaz homogénea y libre de barreras (Z-0) entre la película Nb y In0.75Ga0.25Como contacto, todos los electrones incidentes se someten a la reflexión de Andreev. En tal condición, se forma un exceso de corriente Iexc en la unión debido a correlaciones de cuasipartículas similares a electrones y agujeros. Por lo tanto, se reduce la resistencia diferencial dentro de la brecha y se observa una inmersión plana en forma de U en dV/dI (VSD). Según el modelo BTK, se puede deducir que no se formó ninguna barrera de tunelización en el Nb-In0.75Ga0.25Como interfaces de ambos dispositivos. Por lo tanto, la fuerza de barrera se estima en Z < 0,2 en nuestras uniones23,24,25.

Debido al efecto de proximidad, se miden en los dispositivos 1 y 2 la brecha inducida de aproximadamente áind a 100 éV y 650 eV en los dispositivos 1 y 2, respectivamente. La brecha superconductora inducida por la dependencia de la temperatura con pronunciadas estructuras de brecha de energía subarmónica (SGS) picos y caídas para el dispositivo 1 se muestran en la Figura 4a. Las reflexiones múltiples de Andreev (MAR) en las interfaces del Nb-In0.75Ga0.25Como unión dan lugar a la observación de SGS en la conductividad diferencial. A la temperatura más baja medida Ta 50 mK (curva roja), el SGS aparece con tres picos (denominados P1, P2 y P3) y tres caídas (denominadas d1, d2 y d3). La evolución de la temperatura de los picos y caídas debido a la supresión de la superconductividad inducida con aumento de temperatura se muestran en la Figura 4b. Las posiciones de los picos de SGS obedecen a la expresión V á 2o/ne (es la energía de la brecha Nb, n a 1, 2, 3, ... es un entero, y e es la carga de electrones): las posiciones P1, P2, P3 y P4 corresponden aproximadamente a 2o/3e, 2o/4e, 2o/6e y el borde de separación inducido, pero las posiciones de inmersión no siguen la expresión. Todas las características dependen significativamente de la temperatura, y los picos (dips) SGS más fuertes (más débiles) se observan en Ta 50 mK (800 mK). Vale la pena mencionar que incluso a temperaturas superiores a Ta 500 mK donde ya no se puede ver la supercorriente, se observa el SGS pero desaparece en T> 800 mK- cuando se lava la superconductividad inducida.

Para este dispositivo con matriz de ocho JJ 2D, en 4 de 7 cruces, una brecha superconductora inducida duramente en In0.75Ga0.25As 2DEG se encontró23,24. Sin embargo, tres uniones mostraron una firma de espacio suave y no se observó una estructura dura ni una estructura de espacio blando para la última unión debido a una falla de contacto de cable entre el dispositivo y la almohadilla.

La brecha superconductora en función de la tensiónYD Vaplicada y la temperatura del dispositivo 2 se muestra en la Figura 5a. Este dispositivo se midió a 3 He criostat con temperatura base de Ta 280 mK. Las mediciones de transporte de temperatura y campo magnético del dispositivo 2 no muestran ningún signo de oscilaciones de brecha o subbrecha que se observan para el dispositivo 1 (véase la figura 5a, b). Esto podría deberse a la geometría en forma de flecha de la unión que puede causar interferencia destructiva del MAR. Estas características pueden aparecer en la conductancia diferencial si el dispositivo se mide a temperaturas mucho más bajas (temperatura base del refrigerador de dilución). La brecha inducida se suprime y se mueve hacia el sesgo de voltaje cero y sus amplitudes disminuyen con el aumento adicional de la temperatura aplicada y el campo magnético.

Figure 1
Figura 1 . En0.75Ga0.25As/In0.75Al0.25As/GaAs heteroestructura. La vista esquemática de la heterojunción donde un In0.75Ga0.25Como pozo cuántico con 30 nm de espesor se forma .u2012120 nm por debajo de la superficie de la oblea. Nb fue utilizado como los contactos superconductores (mostrados en negro) para formar un híbrido y balístico Nb–In0.75Ga0.25Como 2DEG-Nb Josephson cruce. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2 : Circuitos cuánticos híbridos híbridos en chip semiconductores. (a ) imagen SEM del dispositivo QICs que muestra una vista superior de un circuito cuántico con 20 cables de control, y 8 JJs planos y simétricos en un chip. La imagen SEM de Nb-In0.75Ga0.25As-Nb JJ con un In0.75Ga0.25As 2DEG gap of length Lá 550 nm and 850 nm for e-beam lithographical (b) and photolithographically (c) fabricted junctions . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3 . Reflexiones Normal y Andreev en cruces híbridos superconductores-semiconductores. (a ) Reflexión de cuasipartículas especulares sin transmisión de carga a través de la interfaz. (b) Reflexión Andreev mientras que el electrón entrante se refleja como un agujero en la subbanda de giro opuesto y transfiere la carga 2e al electrodo superconductor. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4 . Superconductividad inducida y SGS en In0.75Ga0.25Como pozos cuánticos en unión fotolitográficamente fabricada. (a ) Dependencia de la temperatura indujo brecha superconductora con picos pronunciados de SGS debido a múltiples reflejos Andreev. El SGS y los picos de borde de separación inducidos, están marcados por P1 a P4, mientras que las caídas de SGS están marcadas por d1 a d3. (b) Los picos y caídas de SGS mostrados en (a) en función de la temperatura. SGS se suprimen significativamente en T> 400 mK dando lugar a un cambio hacia cero sesgo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5 . La temperatura y la dependencia del campo magnético de la superconductividad inducida en uniones fabricadas litográficamente por el haz electrónico. (a) Brecha superconductora inducida frente a tensión de drenaje de fuente aplicada VSD a temperaturas entre 300 mK y 1,5 K. Las curvas se desvían verticalmente para mayor claridad. (b) Resistencia diferencial codificada por colores en función de VSD y campo magnético perpendicular a Ta 300 mK. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

Se demostraron los QIC en chip que comprenden una serie de JJ basados en el arseniuro de galio indio superconductor (En0.75Ga0.25As) pozos cuánticos. Se abordaron dos desafíos importantes de los sistemas de materiales híbridos S-Sm, como la escalabilidad y la transparencia de la interfaz. Dos pasos críticos quejándose del protocolo, incluyendo el crecimiento de alta calidad y alta movilidad En0,75Ga0,25Como gas electrónico bidimensional en heteroestructuras semiconductoras y superconductividad inducida por proximidad en 2DEG fueron discutido23,24,25.

Crecimiento deIn 0.75Ga0.25Al igual que con las capas de tampón escalonadas en sustrato gaa y también la formación de interfaces homogéneas y libres de barreras entre el superconductor y el semiconductor es un paso crucial en este circuito cuántico híbrido 2D Desarrollo. Se demostró que con un grabado cuidadoso, la película superconductora sputtered puede hacer contactos altamente transparentes a In0.75Ga0.25As quantum wells resultando en la detección de brecha superconductora inducida en semiconductores23 , 24 , 25.

La importancia con respecto a los métodos existentes es que la técnica presentada para JJs híbridos 2D y la realización de circuitos no requiere la deposición insitu de superconductor en semiconductores en una cámara MBE después de que el crecimiento de los semiconductores ha sido completado23,24,25. La otra importancia es que la oblea heteroestructura se puede cultivar como un escritorio de hasta 10 cm de diámetro, permitiendo la fabricación de miles de uniones y circuitos híbridos 2D, superando así los desafíos de escalabilidad de los circuitos y dispositivos cuánticos híbridos S-Sm 22 , 23 , 24 , 25.

La superconductividad inducida en pozos cuánticos, SGS en la conducción diferencial de las uniones 2D, y el transporte cuántico balístico coherente de fase medido en nuestras uniones sugieren fuertemente que las uniones y circuitos 2D híbridos basados en la supercondora In 0.75 Ga0.25A medida que 2DEG ofrece un sistema de materiales prometedor para el procesamiento cuántico escalable y las tecnologías informáticas. Nuestro enfoque puede abrir un nuevo camino hacia la tecnología cuántica y ayuda a allanar el camino para el desarrollo de circuitos cuánticos topológicos en chip para la realización de la próxima generación de procesadores cuánticos23,24,25.

Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Los autores reconocen el apoyo financiero de EPSRC, otorgan A 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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