《Communications Materials》：Interplay of superconductivity and ferromagnetism in ferromagnetic-semiconductor-based Josephson junctions
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超导电性与铁磁性之间的相互作用长期被视为实现非常规约瑟夫森效应（Josephson effects）的途径，然而合适的材料平台仍然有限。本文报道了基于低温分子束外延（LT-MBE）生长的外延Al/InAs/(Ga,Fe)Sb异质结构的约瑟夫森结，实现了原子级陡
超导电性与铁磁性之间的相互作用长期被视为实现非常规约瑟夫森效应（Josephson effects）的途径，然而合适的材料平台仍然有限。本文报道了基于低温分子束外延（LT-MBE）生长的外延Al/InAs/(Ga,Fe)Sb异质结构的约瑟夫森结，实现了原子级陡峭的超导体/半导体/铁磁半导体界面。器件表现出清晰的近邻诱导超导电性（proximity-induced superconductivity），包括多重安德烈夫反射（multiple Andreev reflections, MARs）和栅极可调超电流，证实了杂化结构两侧的透明耦合。在垂直磁场下，约瑟夫森结呈现出高度非常规的Fraunhofer干涉图案，包括磁滞、磁通跳跃、不对称瓣演化以及明确的非互易性（nonreciprocity），这些特征与诱导铁磁性和时间反演对称性破缺一致，并可能指示约瑟夫森结中存在边缘通道输运（edge-channel transport）。研究结果表明，铁磁半导体异质结构可作为探索近邻诱导超导电性和超导二极管效应（superconducting diode effects）的高度可调平台，并推动磁性与量子电子学交叉领域的器件概念发展。
研究背景方面，超导电性与铁磁性的共存因其拮抗本质可产生约瑟夫森π结、自旋三重态超导电性和超导二极管效应等奇异现象，长期以来受到广泛关注。在传统铁磁约瑟夫森结中，铁磁层的磁性质主要由厚度、组分和磁构型决定，缺乏电学可调性；而常规超导体/半导体异质结构虽可通过栅压调控载流子密度和约瑟夫森耦合，但弱链接区本身不包含铁磁交换场。此前近邻诱导超导电性在铁磁半导体中仅在Nb/Fe掺杂InAs异质结构中得到证实，但该异质结构为异位生长（ex-situ），界面质量可能受损，且栅压调控仅能通过液态电解质的双电层晶体管（EDLT）方法实现。为解决上述限制，研究人员开展了基于原位分子束外延（in-situ MBE）生长的Al/InAs/(Ga,Fe)Sb异质结构的约瑟夫森结研究，旨在探究近邻诱导超导电性与铁磁性在InAs半导体层中的相互作用。研究得出，该异质结构可实现原子级陡峭界面，器件表现出栅极可调临界电流和非常规Fraunhofer干涉图案，为研究超导电性与铁磁性共存及开发新型超导量子器件提供了有前景的平台。
在技术方法方面，研究人员采用固态源MBE系统在GaAs(001)半绝缘衬底上生长Al/InAs/(Ga,Fe)Sb异质结构，通过低温MBE（250 °C）抑制Fe偏析，并原位在低于?40 °C下生长Al层以确保洁净界面；利用电子束光刻和湿法刻蚀制备横向约瑟夫森结（结长100 nm、宽5 μm），并采用原子层沉积Al?O?栅介质和Ti/Au栅电极；在30 mK稀释制冷机中进行电学测量，采用直流测量和低频交流锁相技术，并在每次磁场扫描前施加初始化磁场以对齐(Ga,Fe)Sb磁化方向。
研究结果方面，第一，结构、电输运与磁性表征：通过透射电子显微镜（TEM）确认半导体层保持闪锌矿型晶体结构，Al/(In,Ga)As界面洁净且原子级陡峭；InAs沟道在3.7 K下表现出清晰的Shubnikov-de Haas（SdH）振荡，电子迁移率达3.2×103 cm2 V?1 s?1（沿[`1`10]方向）和1.8×103 cm2 V?1 s?1（沿[110]方向），为InAs/(Ga,Fe)Sb异质结构中报道的最高值；磁圆二色性（MCD）和超导量子干涉仪（SQUID）测量在5 K下显示清晰的磁滞回线，居里温度估计为25 K，证实了高质量异质结构的成功制备。第二，零外磁场下的约瑟夫森结输运特性：在30 mK下，无栅器件表现出零电阻态，临界电流Ic = 3.00 μA，过剩电流Iex = 1.91 μA，正常电阻RN = 52.5 Ω；dI/dV谱显示出高达±6阶的多重安德烈夫反射峰，符合V? = 2Δ/ne关系，拟合得到超导能隙Δ = 171 μeV，与临界温度估计值一致；栅压可系统性调制超电流，证实了通过InAs层的近邻诱导超电流。界面透明度参数α = 0.92和α′ = 0.59，表明相对较高的界面透明度。第三，无栅约瑟夫森结的Fraunhofer干涉图案、二极管效应与超电流分布：在垂直磁场下，临界电流呈现非零磁场处的极大值，且依赖磁场扫描方向出现磁滞，与(Ga,Fe)Sb层诱导的铁磁性一致；精细磁场扫描显示振荡周期为0.14 mT，远小于理论值1.13 mT，有效磁通聚焦因子Γ为8.2；二极管效率η在Fraunhofer图案最小值处达到20%，表明时间反演对称性破缺；快速傅里叶变换（FFT）分析表明超电流倾向于集中在结的物理边缘附近；Fraunhofer图案还表现出节点抬升和奇偶调制等特征，可能指示边缘通道超导输运。第四，栅压依赖的Fraunhofer干涉图案与临界电流：在Vg = 0 V和?10 V下，Fraunhofer图案均表现磁滞行为；随Vg从?10 V扫至?25 V，Peak 1的Ic衰减与InAs沟道电子载流子密度n的下降密切跟随，而Peak 2的Ic衰减明显弱于Peak 1和载流子密度，表明超导输运涉及多个导电通道。
讨论部分总结：研究人员在MBE生长的Al/InAs/(Ga,Fe)Sb异质结构约瑟夫森结中观察到了超导近邻效应，器件表现出栅极可调临界电流和伴随磁滞的Fraunhofer图案，指示超导InAs沟道中的诱导铁磁性；输运特征还提供了边缘通道超导输运的可能证据。此前在含20% Fe、居里温度300 K的(Ga,Fe)Sb界面的InAs中观察到高达18 meV的自旋分裂能，足以支持π相变；但本研究所用(Ga,Fe)Sb居里温度仅25 K，剩磁较小，自旋分裂能可能不足以反转跨结超导波函数的相位。使用14.6% Fe的(Ga,Fe)Sb层是当前MBE生长工艺的限制，更高Fe浓度的可重复生长仍具技术挑战。当前器件中临界电流的栅极依赖性主要归因于InAs沟道的载流子密度调制，交换诱导自旋分裂的直接栅极控制尚待证实。因此，需要具有改进磁性质的Al–InAs/(Ga,Fe)Sb–Al异质结构以及不同结长的系统研究，以在未来工作中实现π相变并阐明自旋单态和自旋三重态组分的相对贡献。研究结论翻译：综上所述，研究人员在MBE生长的Al/InAs/铁磁半导体(Ga,Fe)Sb异质结构制备的约瑟夫森结中观察到了超导近邻效应。这些结表现出栅极可调临界电流，这是利用半导体性质进行器件应用的关键特征。此外，它们显示出伴随磁滞的Fraunhofer图案，指示超导InAs沟道中的诱导铁磁性。包括Fraunhofer干涉在内的输运特征还提供了边缘通道超导输运的可能证据。这些栅极可控的铁磁约瑟夫森结为研究超导电性与铁磁性的共存以及开发新型超导量子器件提供了有前景的平台。
