하이브리드 조셉슨 어레이에서 장거리 위상 일관성과 위상 패턴

초록

스캔 SQUID를 이용해 하이브리드 조셉슨 접합 배열(JJA)의 국부 감수성을 영상화하였다. 제로 자기장에서는 전체 배열이 균일한 위상으로 강한 장거리 위상 일관성을 보였으며, 0.01 Φ₀ 이하의 작은 필드에서도 정수·분수 충전 비에서 주기적인 위상 패턴이 나타났다. 약 1 % 이하의 필드가 가해지면 위상 일관성이 큰 영역으로 분열되는 현상이 관찰되었다.

상세 분석

본 연구는 스캔 SQUID 감수성 측정을 통해 초전도 위상 자유도를 직접 시각화한 최초 사례라 할 수 있다. 저자들은 먼저 Nb 얇은 선으로 이루어진 연속 격자를 이용해 장치의 감도와 위상 검출 능력을 검증하였다. 격자 내부에 자연적으로 형성된 약한 연결부(조셉슨 결합)들이 전류 루프를 형성하면 전체 셀에 걸쳐 균일한 다이아몬드 응답이 나타났으며, 연결이 끊어지면 감수성 신호가 급격히 약해지는 것을 확인하였다. 이러한 사전 실험은 이후 설계된 Al/InAs 하이브리드 JJA에서 위상 정보를 추출하는 기반을 제공한다.

하이브리드 JJA는 3 µm 격자 상수와 0.3 µm 선폭을 가진 십자형 Al 섬으로 구성되며, 인접한 섬 사이에 4개의 조셉슨 접합이 존재한다. 전압 게이트를 0 V로 고정해 E_J와 E_C를 일정하게 유지한 뒤, 수직 자기장을 가해 충전 비 f = Φ/Φ₀를 조절하였다. 저온(20 mK)에서 전기 저항은 Little‑Parks와 유사한 진동을 보였고, 정수 및 1/2, 1/3 등 주요 분수 충전에서 뚜렷한 저항 최소값이 관찰되었다.

스캔 SQUID는 교류 자극을 통해 각 픽셀에서 국부 감수성을 측정했으며, f = 0에서 전역적인 다이아몬드 응답이 가장 강하고 격자 구조가 사라질 정도로 균일했다. 이는 모든 섬의 위상이 동일하게 정렬되어 전류가 전역적으로 흐른다는 의미이다. 정수 충전이 증가함에 따라 감수성 피크의 진폭이 감소하고, 격자 모양이 점차 드러나는 동시에 위상 강성이 약해짐을 확인했다. 특히 f ≈ ±1, ±2 등에서 피크가 점점 작아지는 현상은 각 셀에 다중 와전류가 삽입되어 위상이 더 크게 꼬이기 때문으로 해석된다.

분수 충전, 특히 f = −0.5에서는 FFT 분석을 통해 격자 주기와 일치하는 체크보드형 위상 패턴이 나타났다. 이는 이론적으로 예측된 ‘vortex‑antivortex’ 배열과 일치하며, 각 섬 사이의 조셉슨 전류가 교대로 흐르는 구조로 위상 차이가 0과 π 사이를 번갈아 가며 배치된다. 반면 비정수(예: f = −1.06)에서는 위상이 불규칙하게 분포하고, 국부적인 위상 소용돌이가 자유롭게 전파되어 감수성 이미지에 격자 선이 뚜렷이 보인다.

가장 흥미로운 결과는 0.01 Φ₀ 이하의 아주 작은 필드에서도 전체 배열이 ‘위상 코히런트 클러스터’로 분열한다는 점이다. 즉, 몇 개의 셀 단위가 서로 강하게 위상 결합된 영역을 형성하고, 그 외 영역은 위상 연결이 약해져 감수성 신호가 급격히 감소한다. 이러한 현상은 조셉슨 전류가 특정 경로에 국한되어 전류 루프를 형성함으로써 장거리 위상 일관성이 부분적으로 유지되는 메커니즘을 시사한다.

전반적으로 본 논문은 (1) 스캔 SQUID가 초전도 위상 정보를 직접 측정할 수 있음을 입증하고, (2) 하이브리드 JJA에서 정수·분수 충전이 위상 패턴과 위상 강성에 미치는 영향을 정량적으로 규명했으며, (3) 작은 자기장에서도 위상 코히런스가 공간적으로 분열되는 새로운 현상을 발견했다는 점에서 의미가 크다. 이는 양자 위상 전이, 초전도 양자 비트 설계, 그리고 인공적인 초전도 메타물질 구현에 중요한 실험적 기반을 제공한다.