Circuitos integrados Quantum escalonáveis na plataforma bidimensional de gás elétron supercondutor

Engineering
 

Summary

Os circuitos integrados do Quantum (QICs) que consistem na disposição de junções planar e balísticos de Josephson (JJs) baseados sobre em0,75GA0,25como o gás bidimensional do elétron (2deg) são demonstrados. Dois métodos diferentes para a fabricação dos JJs e dos QICs bidimensionais (2D) são discutidos seguidos pela demonstração de medidas do transporte quântico em temperaturas de 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 um transporte quântico coerente em junções híbridas supercondutores-semicondutores (S-SM), é necessária a formação de uma interface homogênea e sem barreiras entre dois materiais diferentes. A junção de S-SM com transparência elevada da relação facilitará então a observação da abertura superconduzindo dura induzida, que é a exigência chave para alcançar as fases topológicas (TPs) e a observação de quasiparticulas exóticas tais como Majorana zero (MZM) em sistemas híbridos. Uma plataforma de material que pode suportar a observação de TPs e permite a realização de geometrias complexas e ramificadas é, portanto, altamente exigente em processamento quântico e ciência da computação e tecnologia. Aqui, introduzimos um sistema de material bidimensional e estudamos a supercondutividade induzida por proximidade em semicondutores de gás bidimensional de elétrons (2DEG) que é a base de um circuito integrado Quantum híbrido (QIC). O 2DEG é um 30 nm de espessura em0,75GA0,25como Quantum bem que é enterrado entre dois em0,75Al0,25como barreiras em um heterostructure. Os filmes de nióbio (NB) são usados como eletrodos supercondutores para formar NB-in0,75GA0,25as-NB Josephson junções (jjs) que são simétricos, planares e balísticos. Duas abordagens diferentes foram usadas para formar os JJs e QICs. As junções longas foram fabricadas fotolitograficamente, mas a litografia do e-feixe foi usada para a fabricação das junções curtas. As medidas coerentes do transporte do Quantum em função da temperatura na presença/ausência de campo magnético B são discutidas. Em ambas as abordagens de fabricação de dispositivos, as propriedades supercondutoras de proximidade induzidas foram observadas no0,75GA0,25como 2deg. Verificou-se que o e-Beam JJs com padrão Litograficamente de comprimentos mais curtos resultam na observação da lacuna supercondutora induzida em faixas de temperatura muito mais elevadas. Os resultados que são reprodutíveis e limpos, sugerindo que o híbrido 2D JJs e QICs baseado em0,75GA0,25como Quantum Wells poderia ser uma plataforma de material promissor para realizar o real complexo e escalável Quantum eletrônico e fotônico circuitos e dispositivos.

Introduction

Uma junção de Josephson (JJ) é dada forma imprensando uma camada fina de um material (normal) não-superconduzindo entre dois supercondutores1. Vários novos circuitos e dispositivos eletrônicos e fotônicos Quantum podem ser construídos com base em jjs2,3,4,5,6,7,8, 9,10,11,12,13,14,15,16. Entre eles, os JJs com semicondutores como sua parte não supercondutora (normal), ou supercondutor-semicondutor-supercondutor (S-SM-S) JJs, têm recebido muita atenção nos últimos anos após a suposta detecção de partículas exóticas de Majorana com zero cargas elétricas na interface de um supercondutor e um semicondutor unidimensional (1D) nanofio17,18,19,20,21, 22. nanofio-Based dispositivos híbridos são limitados à geometria 1D do nanofio e fabricação de Y e/ou T-estruturas fora deles-um requisito necessário para Majorana trança-é desafiador22. O ajuste fino do potencial químico do nanowire, para alcançar fases topológicas, exige JJs com diversas portas electrostaticamente que causa completamente muitas edições na fabricação complexa do dispositivo fora dos nanowires. Para superar os problemas de escalabilidade de fios 1D, as plataformas de materiais bidimensionais (2D) são altamente desejáveis19,22.

Entre os materiais 2D, a plataforma bidimensional de gás elétron (2DEG)-forma quando os elétrons são confinados a uma interface entre dois materiais diferentes em uma heteroestrutura de semicondutores-é o candidato mais promissor22. A combinação de 2DEG com supercondutores e formando híbrido 2D JJs abre uma nova avenida para o desenvolvimento de sistemas quânticos escalonáveis de próxima geração, como processamento quântico topológico e computação. Eles podem suportar a fase de transporte quântico coerente, e proximidade induzida supercondutividade com alta probabilidade de transmissão, que são requisito fundamental para a observação de fase topológica. A este respeito, demonstramos um QIC em um chip que consiste em matriz de JJs 2D balísticos que podem ser controlados por 20 fios. Cada junção tem dois elétrodos do NB como a parte superconduzindo e em0,75GA0,25como poços do Quantum em um heterojunção semicondutores como a parte normal. A bolacha pode ser facilmente padronizada para formar estruturas complexas e QICs em rede.

As vantagens de em0,75GA0,25como 2deg incluem: (i) g-factor relativamente grande, (II) acoplamento forte da girar-órbita de rashba, (III) a baixa massa eficaz do elétron, e (IV) que a composição do índio pode ser ajustada permitindo a formação de jjs com transparência elevada da relação23,24,25. A bolacha pode ser cultivada como um disco de até 10 cm de dimetro, permitindo a fabricação de milhares de híbridos 2D JJs e redes QICs complexas para superar os desafios de escalabilidade destes dispositivos quânticos.

Discutimos duas abordagens diferentes para as fabricações de dispositivos: para o dispositivo 1, um circuito que inclui oito jjs idênticos e simétricos de comprimento de 850 nm e larguras de 4 μm são modelados por fotolitografia23,24. O dispositivo 2 inclui oito junções com comprimentos diferentes. Todos têm a mesma largura de 3 μm. Os JJs são modelados por e-Bam litografia25. As medições de transporte nas faixas de temperatura sub-Kelvin na ausência/presença de campo magnético serão apresentadas. O on-chip QICs consiste em matriz de 2D NB-in0,75GA0,25as-NB jjs. As junções longas e curtas são medidas em um refrigerador da diluição com uma temperatura baixa de 40 MK e o líquido 3refrigerou o criostato com uma temperatura baixa de 300 MK, respectivamente. Os dispositivos são tendenciosos com um sinal ACde 5 μV em 70 Hz, que é sobreposta ao viés de tensão DC de junção. Uma técnica de travamento padrão de dois terminais é usada para medir a saída do dispositivo AC-Current23,24,25.

Protocol

Nota: o heteroestrutura do semicondutor e a fabricação híbrida da junção de S-SM Josephson são apresentados.

1. fabricação de semicondutores heteroestrutura

Nota: o Epitaxia do feixe molecular (MBE) cultivadoem 0,75GA0,25como poços quânticos são utilizados neste estudo23,24,25,26. A Figura 1 retrata a sequência de camadas distintas:

  1. Limpe uma carcaça de 500 μm grossa, 3-inch semi-isolante (001) GaAs e remova a camada de óxido na alta temperatura (acima de 200 ° c)26.
  2. Ajuste a temperatura de crescimento a 580 ° c e cresça a camada tampão de películas de GaAs/AlAs/GaAs com espessuras de 50/75/250 nm26.
  3. Aumente a temperatura do substrato durante 20 min e, em seguida, cresça uma camada tampão de InAlAs com uma espessura de 1300 nm ao iniciar as temperaturas de substrato de T = 416, 390, 360, 341, 331 e 337 ° c26.
  4. Cresça uns 30 nanômetros grossos em0,75GA0,25como o poço do Quantum 2deg na temperatura ligeiramente mais elevada26do substrato.
  5. Cubra o Quantum 2DEG bem com um 60 nm em0,75Al0,25como espaçador, e então modulação dope a bolacha por um 15 Nm de espessura de um n-tipo em0,75Al0,25as. Isto assegurará a condutância no escuro26.
  6. Cresça um 45 nm em0,75Al0,25como a camada seguida por uma camada do tampão de ingaas com espessura de 2 nanômetro26.
  7. Realize a medição das oscilações de Shubnikov – de Haas e do efeito Hall para encontrar a densidade de elétrons (ns) e a mobilidade (μe) na temperatura T= 1,5 K26. A partir das medições de transporte, inferiu-se que o ns= 2,24 × 1011 (cm-2) e μ e = 2,5 × 105 (cm2/vs) no escuro, mas ns= 2,28 × 1011 (cm -2) e μe = 2,58 × 105 (cm2/vs) após a iluminação.

2. dois-dimensional Josephson junção de fabricação

Nota: aqui, o processo de fabricação dos qics híbridos com duas abordagens diferentes são discutidos23,24,25. O dispositivo 1 com oito junções longas idênticas de Josephson foi fabricado somente com algumas etapas do processamento do photolithography. O segundo procedimento da fabricação do dispositivo era similar ao dispositivo 1 até a formação de jjs que a etapa o e-feixe-litografia foi usada.

  1. Desenhe o layout do dispositivo jjs e QIC, incluindo padrões de mesa e Ôhmico usando o software AutoCAD25. Inicie o desenho selecionando as camadas apropriadas para formar o menu Seletor de camadas. Criar uma nova camada a partir do formato | Camada no software AutoCAD.
  2. Projetar e fabricar a máscara de fotolitografia. Escolha as formas e geometrias desejadas no menu do painel do software. Clique na forma desejada de JJs (ou seja, retângulos, quadrados) e empurre a janela de desenho para iniciar a forma (clique no menu de ajuda do software AutoCAD para obter mais detalhes).
  3. Teste padrão os projetos de jjs e de qics, após ter desenvolvido o fotoresistente no wafer, e fabricam as estruturas do mesa para actuar como a região ativa (a área levantada em Figura 1) pelo molhado-etch em soluções ácidas de h2assim4: h2O2 : (1:8:1000)23,24,25. Enxague o dispositivo em água DI por 30 s e depois seque com gás nitrogênio.
  4. Assegure uma profundidade do etch de ~ 150 nanômetro pelo perfilador de superfície dektak23,24,25.
  5. Forme contatos Ôhmico, para fazer o contato elétrico entre o metal e o 2deg, girando o fotoresistente sobre a bolacha e então a exposição à luz UV através de uma foto-máscara. Desenvolver a resistir em MF-319 para 1 min. depositar uma camada fina, entre 50 nm e 100 nm de ouro/germânio/níquel (augeni) liga sobre a resistem-modelado amostra23,24,25.
  6. Grave uma trincheira profunda \u2012 140 nm no topo da região ativa para formar jjs 2D por fotolitograficamente (dispositivo 1) ou e-Beam Litograficamente (dispositivo 2) padronização e condicionamento úmido em ácido descrito acima (os jjs devem ser formados longe dos contatos Ôhmico, uma distância de > 100 μm, para garantir que os elétrons normais desta parte não influenciem as interfaces da junção)23,24,25.
  7. Sputter um \u2012130 nm superconduzindo NB filme para formar NB-in0,75GA0,25as-NB jjs (por DC magnetron sputtering em ar plasma),
  8. Deposite 10/50 nm de espessura de filmes ti/au para contatos elétricos e para fins de medição de transporte.
  9. Transfira e carregue o dispositivo no portador de microplaqueta de sem padrão (LCC) usando o verniz de GE, e faça os contatos elétricos entre o dispositivo e as almofadas de LCC usando fios do ouro.
  10. Coloque os dispositivos em um refrigerador de 3ele criostat ou de diluição para medições de transporte.

Representative Results

Figura 2 a mostra a imagem do microscópio eletrônico de varredura (sem) do dispositivo 1. Um circuito quântico com 20 fios elétricos pode ser visto. O projeto permite a medição de uma ou uma série de JJs em um chip em um refrigerador esfriar-down. A imagem de SEM de uma junção no circuito do dispositivo 2, que foi fabricada por litografia de feixe e, é mostrada na Figura 2b. A distância entre dois filmes NB em cada lado da junção NB-in0,75GA0,25as-nb é L= 550 nm no caminho mais curto. Figura 2 c mostra a imagem de sem de uma junção do dispositivo 1-que é fabricada fotolitograficamente. Aqui, os dois eletrodos NB são separados por uma distância de L= 850 nm.

A teoria de Blonder – Tinkham – Klapwijk (BTK) é um modelo aceitável para descrever o transporte quântico em junções híbridas S-SM27. A influência dos parâmetros da ordem do supercondutor em 2DEG semicondutor resulta em uma condutância diferencial não linear. Em baixas temperaturas, há dois mecanismos possíveis da reflexão no NB-em0,75GA0,25como relações: reflexão normal que não causa nenhuma transmissão da carga através da relação e dos reflexos do Andreev, que transmite a carga dois Quanta 2e, com o retroreflection de um furo23,24,25. Como o condensado supercondutor consiste de spin singlet Cooper pares, o furo refletido tem a rotação oposta como o elétron de entrada. O diagrama dos desenhos animados desses dois processos é mostrado na Figura 3a, b, respectivamente28.

Se a interface entre o NB e em0,75GA0,25como contato não é transparente, há coexistência de ambos os elétrons normais e Andreev refletida. Assim, a resistência aumenta e um pico de zero-viés dentro da lacuna é formado. Tal pico em-Gap no DV/di (VSD) não é observado em nossas junções. Entretanto, para uma relação homogênea e livre de barreira (Z= 0) entre a película do NB e em0,75GA0,25como o contato, todos os elétrons do incidente submetem-se à reflexão de Andreev. Em tal circunstância, um excesso atual Iexc é dado forma na junção devido às correlações de elétron-e furo-como quasipartículas. Conseqüentemente, a resistência diferencial dentro da abertura é reduzida e um mergulho liso da U-forma em DV/di (VSD) é observado. De acordo com o modelo BTK, pode-se inferir que nenhuma barreira de tunelamento formada no NB-in0,75GA0,25como interfaces de ambos os dispositivos. Portanto, estima-se que a força da barreira seja Z < 0,2 em nossas junções23,24,25.

Por causa do efeito de proximidade, o Gap induzido de aproximadamente ΔInd ≈ 100 μev, e 650 μev são medidos nos dispositivos 1 e 2, respectivamente. A dependência de temperatura induziu uma lacuna supercondutora com picos e mergulhos de estruturas de Gap de energia subharmônicas pronunciadas (SGS) para o dispositivo 1 são mostrados na Figura 4a. As reflexões múltiplas de Andreev (MAR) nas relações do NB-em0,75GA0,25como o resultado da junção na observação do GV na condutância diferencial. Na temperatura medida mais baixa T= 50 MK (curva vermelha), o GV aparece com três picos (nomeados como P1, P2 e P3) e três mergulhos (nomeados como D1, D2 e D3). A evolução da temperatura dos picos e dos mergulhos devido à supressão da supercondutividade induzida com aumento de temperatura é mostrada na Figura 4b. As posições máximas da SGS obedecem à expressão V = 2δ/ne (δ é a energia do Gap NB, n = 1, 2, 3,... é um inteiro, e é a carga do elétron): P1, P2, P3 e P4 as posições correspondem aproximadamente a 2δ/3E, 2δ/4e, 2δ/6e e a borda induzida da abertura mas as posições do mergulho não seguem a expressão. Todas as características são significativamente dependentes da temperatura, e os picos os mais fortes (os mais fracos) do GV (mergulhos) são observados em T= 50 mk (800 MK). Vale ressaltar que mesmo em temperaturas acima de T= 500 MK onde a supercorrente já não pode ser vista, a SGS é observada, mas desaparece em T> 800 MK-quando a supercondutividade induzida é lavada.

Para este dispositivo com a disposição de oito 2D jjs, em 4 de 7 junções, uma abertura superconduzindo duramente-induzida dentro em0,75GA0,25como 2deg foi encontrado23,24. Entretanto, três junções mostraram uma assinatura macia da abertura e nem um duro-nem uma estrutura da macio-abertura foram observados para a última junção por causa de uma falha do contato do fio entre o dispositivo e a almofada.

A lacuna supercondutora em função da tensão VSD aplicada e da temperatura do dispositivo 2 é mostrada na Figura 5a. Este dispositivo foi medido em um 3ele criostato com temperatura baixa de T= 280 MK. As medições do transporte de temperatura e de campo magnético do dispositivo 2 não mostram nenhum sinal de oscilações na lacuna ou subgap que são observadas para o dispositivo 1 (ver Figura 5a, b). Isso pode ser devido à geometria em forma de seta da junção que pode causar interferência destrutiva do MAR. Tais características podem aparecer na condutância diferencial se o dispositivo é medido em temperaturas muito mais baixas (temperatura da base do refrigerador da diluição). A lacuna induzida é suprimida e movida em direção a um viés de tensão zero e suas amplitudes diminuem com o aumento da temperatura aplicada e do campo magnético.

Figure 1
Figura 1 . Em0,75GA0,25as/em0,75Al0,25as/GaAs heterostructure. A visão esquemática da heterojunção onde um in0,75GA0,25como Quantum bem com 30 nm espessura é formada \u2012120 nm abaixo da superfície Wafer. NB foi usado como os contatos supercondutores (mostrados em preto) para formar um NB híbrido e balístico-em0,75GA0,25como 2Deg-NB Josephson Junction. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2 : Circuitos quânticos supercondutores híbridos em chip. (a) imagem sem do dispositivo qics mostrando uma visão superior de um circuito quântico com 20 fios de controle, e 8 jjs planar e simétrico em um chip. A imagem SEM de NB-in0,75GA0,25as-NB jjs com um em0,75GA0,25como 2deg gap de comprimento L= 550 nm e 850 nm para e-Beam Litograficamente (b) e fotolitograficamente (c) junções fabricadas . Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3 . Reflexões normais e Andreev em cruzamentos híbridos supercondutores-semicondutores. (a) reflexão specular do Quasipartícula sem a transmissão da carga através da relação. (b) reflexão de Andreev visto que o elétron entrante é refletido como um furo na secundário-faixa oposta da rotação e transfere a carga 2e no elétrodo superconduzindo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4 . Supercondutividade induzida e SGS em0,75GA0,25como poços quânticos em junção fotolitograficamente fabricada. (a) a dependência da temperatura induziu a abertura superconduzindo com os picos PRONUNCIADOS do GV devido às reflexões múltiplas de Andreev. O GV e os picos induzidos da borda da abertura, são marcados por P1 a P4 Quando os mergulhos do GV forem marcados por D1 a D3. (b) os picos e mergulhos da SGS mostrados em (a) em função da temperatura. SGS são suprimidos significativamente em T≫ 400 MK levando a uma mudança em direção a zero viés. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5 . A temperatura e a dependência do campo magnético da supercondutividade induzida no e-feixe Litograficamente fabricou junções. (a) Gap supercondutor induzido versus tensão de drenagem de fonte aplicada VSD a temperaturas entre 300 MK e 1,5 K. As curvas são verticalmente compensadas para maior clareza. (b) cor-codificado resistência diferencial em função de VSD e perpendicular campo magnético em T= 300 MK. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

Qics na microplaqueta que compreendem uma disposição de jjs baseado no arsenieto superconduzindo do gálio do índio (em0,75GA0,25como) os poços quânticos foram demonstrados. Dois desafios importantes de sistemas de materiais S-SM híbridos, como a escalabilidade e a transparência da interface, foram abordados. Duas etapas críticas que choram o protocolo que inclui o crescimento da alta qualidade e da mobilidade elevada em0,75GA0,25como o gás bidimensional do elétron em heteroestruturas semicondutores e a supercondutividade induzida proximidade em 2deg eram discutido23,24,25.

Crescimento de em0,75GA0,25como com camadas de tampão Step-classific no substrato de GaAs e também a formação de relações homogêneas e barreira-livres entre o supercondutor e o semicondutor é uma etapa crucial em tal circuito do quantum do híbrido 2D Desenvolvimento. Demonstrou-se que com a gravura cuidadosa a película supercondutora sputtered pode fazer contatos altamente transparentes a em0,75GA0,25como poços do Quantum tendo por resultado a deteção da abertura superconduzindo induzida nos semicondutores23 , 24 de cada , a 25.

O significado em relação aos métodos existentes é que a técnica apresentada para o JJs híbrido 2D e a realização do circuito não exige a deposição InSitu de supercondutor em semicondutores em uma câmara de MBE depois que o crescimento do semicondutor foi completou23,24,25. O outro significado é que a bolacha do heteroestrutura pode ser crescida como uma mesa de até 10 cm de diâmetro, permitindo a fabricação de milhares de junções e de circuitos híbridos do 2D, assim superando os desafios da escalabilidade dos circuitos e dos dispositivos do quantum do S-SM híbrido 22 anos de , 23 anos de , 24 de cada , a 25.

A supercondutividade induzida em poços quânticos, a SGS na condutância diferencial das junções 2D e o transporte quântico coerente de fase, medido em nossas junções, sugerem fortemente que junções e circuitos híbridos 2D baseados em supercondutores em 0,75 GA0,25as 2deg oferecem um sistema de material promissor para tecnologias de processamento e computação quântica escalonáveis. Nossa abordagem pode abrir uma nova estrada para a tecnologia quântica e ajuda a pavimentar o caminho para o desenvolvimento de circuitos quânticos topológicos on-chip para realizar a próxima geração de processadores Quantum23,24,25.

Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Os autores reconhecem o apoio financeiro do EPSRC, concedem 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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