Superconductivity serves as a unique solid-state platform for electron interference at a device-relevant lengthscale, which is essential for quantum information and sensing technologies. As opposed to semiconducting transistors that are operated by voltage biasing at the nanometer scale, superconductive quantum devices cannot sustain voltage and are operated with magnetic fields, which impose a large device footprint, hindering miniaturization and scalability. Here, we introduce a system of superconducting materials and devices that have a common interface with a ferroelectric layer. An amorphous superconductor was chosen for reducing substrate-induced misfit strain and for allowing low-temperature growth. The common quantum pseudowavefunction of the superconducting electrons was controlled by the nonvolatile switchable polarization of the ferroelectric by means of voltage biasing. A controllable change of 21% in the critical temperature was demonstrated for a continuous film geometry. Moreover, a controllable change of 54% in the switching current of a superconducting quantum interference device was demonstrated. The ability to voltage bias superconducting devices together with the nonvolatile nature of this system paves the way to quantum-based memory devices.

1.
K.
Wiesenfeld
and
F.
Moss
,
Nature
373
,
33
(
1995
).
2.
M.
Suleiman
,
E. G. D.
Torre
, and
Y.
Ivry
, arXiv:2020.10297 (
2020
).
3.
B. M.
Hynek
,
R. E.
Arvidson
, and
R. J.
Phillips
,
J. Geophys. Res.
107
,
159
, (
2002
).
4.
Z.
Zhou
,
S. I.
Chu
, and
S.
Han
,
Phys. Rev. B
66
,
054527
(
2002
).
5.
S.
Popescu
,
N.
Linden
, and
R.
Jozsa
,
J. Phys. A: Math. Gen.
34
,
6723
(
2001
).
6.
A. N.
McCaughan
,
V. B.
Verma
,
S. M.
Buckley
,
J. P.
Allmaras
,
A. G.
Kozorezov
,
A. N.
Tait
,
S. W.
Nam
, and
J. M.
Shainline
,
Nat. Electron.
2
,
451
(
2019
).
7.
N.
Takeuchi
,
Y.
Yamanashi
, and
N.
Yoshikawa
,
Supercond. Sci. Technol.
28
,
015003
(
2015
).
8.
H.
Hayakawa
,
N.
Yoshikawa
,
S.
Yorozu
, and
A.
Fujimaki
,
Proc. IEEE
92
,
1549
(
2004
).
9.
R.
Winik
,
I.
Holzman
,
E. G.
Dalla Torre
,
E.
Buks
, and
Y.
Ivry
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
122601
(
2018
).
10.
D.
Costanzo
,
H.
Zhang
,
B. A.
Reddy
,
H.
Berger
, and
A. F.
Morpurgo
,
Nat. Nanotechnol.
13
,
483
(
2018
).
11.
H.
Zhang
,
C.
Berthod
,
H.
Berger
,
T.
Giamarchi
, and
A. F.
Morpurgo
,
Nano Lett.
19
,
8836
(
2019
).
12.
H.
Atesci
,
W.
Gelling
,
F.
Coneri
,
H.
Hilgenkamp
, and
J. M.
Van Ruitenbeek
,
Int. J. Mol. Sci.
19
,
566
(
2018
).
13.
A.
Chernyshov
,
M.
Overby
,
X.
Liu
,
J. K.
Furdyna
,
Y.
Lyanda-Geller
, and
L. P.
Rokhinson
,
Nat. Phys.
5
,
656
(
2009
).
14.
M.
Liu
,
T.
Nan
,
J. M.
Hu
,
S. S.
Zhao
,
Z.
Zhou
,
C. Y.
Wang
,
Z.
De Jiang
,
W.
Ren
,
Z. G.
Ye
,
L. Q.
Chen
, and
N. X.
Sun
,
NPG Asia Mater.
8
,
e316
(
2016
).
15.
E.
Mönch
,
D. A.
Bandurin
,
I. A.
Dmitriev
,
I. Y.
Phinney
,
I.
Yahniuk
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
P.
Jarillo-Herrero
, and
S. D.
Ganichev
,
Nano Lett.
20
,
5943
(
2020
).
16.
M.
Tinkham
,
Introduction to Superconductivity
, 2nd ed. (
Dover
,
Mineola
,
2004
).
17.
V.
Ambegaokar
and
A.
Baratoff
,
Phys. Rev. Lett.
11
,
104
(
1963
).
18.
C. H.
Ahn
,
S.
Gariglio
,
P.
Paruch
,
T.
Tybell
,
L.
Antognazza
, and
J. M.
Triscone
,
Science
284
,
1152
(
1999
).
19.
Q.
Huang
,
Z.
Chen
,
M. J.
Cabral
,
F.
Wang
,
S.
Zhang
,
F.
Li
,
Y.
Li
,
S. P.
Ringer
,
H.
Luo
,
Y. W.
Mai
, and
X.
Liao
,
Nat. Commun.
12
,
2095
(
2021
).
20.
C. M.
Teodorescu
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
23
,
4085
(
2021
).
21.
X.
Gao
and
Z.
Zhao
,
Sci. China Chem.
58
,
947
(
2015
).
22.
E.
Piatti
,
D.
Daghero
,
G. A.
Ummarino
,
F.
Laviano
,
J. R.
Nair
,
R.
Cristiano
,
A.
Casaburi
,
C.
Portesi
,
A.
Sola
, and
R. S.
Gonnelli
,
Phys. Rev. B
95
,
140501
(
2017
).
23.
G. A.
Ummarino
,
E.
Piatti
,
D.
Daghero
,
R. S.
Gonnelli
,
I. Y.
Sklyadneva
,
E. V.
Chulkov
, and
R.
Heid
,
Phys. Rev. B
96
,
064509
(
2017
).
24.
E.
Piatti
,
Nano Express
2
,
024003
(
2021
).
25.
A.
Crassous
,
R.
Bernard
,
S.
Fusil
,
K.
Bouzehouane
,
D. L.
Bourdais
,
S.
Enouz-Vedrenne
,
J.
Briatico
,
M.
Bibes
,
A.
Barthélémy
, and
J. E.
Villegas
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
247002
(
2011
).
26.
A.
Crassous
,
R.
Bernard
,
S.
Fusil
,
K.
Bouzehouane
,
J.
Briatico
,
M.
Bibes
,
A.
Barthélémy
, and
J. E.
Villegas
,
J. Appl. Phys.
113
,
024910
(
2013
).
27.
K. S.
Takahashi
,
M.
Gabay
,
D.
Jaccard
,
K.
Shibuya
,
T.
Ohnishi
,
M.
Lippmaa
, and
J.-M.
Triscone
,
Nature
441
,
195
(
2006
).
28.
J.
Kelly
,
R.
Barends
,
A. G.
Fowler
,
A.
Megrant
,
E.
Jeffrey
,
T. C.
White
,
D.
Sank
,
J. Y.
Mutus
,
B.
Campbell
,
Y.
Chen
,
Z.
Chen
,
B.
Chiaro
,
A.
Dunsworth
,
I. C.
Hoi
,
C.
Neill
,
P. J. J.
O'Malley
,
C.
Quintana
,
P.
Roushan
,
A.
Vainsencher
,
J.
Wenner
,
A. N.
Cleland
, and
J. M.
Martinis
,
Nature
519
,
66
(
2015
).
29.
J.
Clarke
and
F. K.
Wilhelm
,
Nature
453
,
1031
(
2008
).
30.
F.
Arute
,
K.
Arya
,
R.
Babbush
,
D.
Bacon
,
J. C.
Bardin
,
R.
Barends
,
R.
Biswas
,
S.
Boixo
,
F. G. S. L.
Brandao
,
D. A.
Buell
,
B.
Burkett
,
Y.
Chen
,
Z.
Chen
,
B.
Chiaro
,
R.
Collins
,
W.
Courtney
,
A.
Dunsworth
,
E.
Farhi
,
B.
Foxen
,
A.
Fowler
,
C.
Gidney
,
M.
Giustina
,
R.
Graff
,
K.
Guerin
,
S.
Habegger
,
M. P.
Harrigan
,
M. J.
Hartmann
,
A.
Ho
,
M.
Hoffmann
,
T.
Huang
,
T. S.
Humble
,
S. V.
Isakov
,
E.
Jeffrey
,
Z.
Jiang
,
D.
Kafri
,
K.
Kechedzhi
,
J.
Kelly
,
P. V.
Klimov
,
S.
Knysh
,
A.
Korotkov
,
F.
Kostritsa
,
D.
Landhuis
,
M.
Lindmark
,
E.
Lucero
,
D.
Lyakh
,
S.
Mandrà
,
J. R.
McClean
,
M.
McEwen
,
A.
Megrant
,
X.
Mi
,
K.
Michielsen
,
M.
Mohseni
,
J.
Mutus
,
O.
Naaman
,
M.
Neeley
,
C.
Neill
,
M. Y.
Niu
,
E.
Ostby
,
A.
Petukhov
,
J. C.
Platt
,
C.
Quintana
,
E. G.
Rieffel
,
P.
Roushan
,
N. C.
Rubin
,
D.
Sank
,
K. J.
Satzinger
,
V.
Smelyanskiy
,
K. J.
Sung
,
M. D.
Trevithick
,
A.
Vainsencher
,
B.
Villalonga
,
T.
White
,
Z. J.
Yao
,
P.
Yeh
,
A.
Zalcman
,
H.
Neven
, and
J. M.
Martinis
,
Nature
574
,
505
(
2019
).
31.
Y.
Ivry
,
J. J.
Surick
,
M.
Barzilay
,
C. S.
Kim
,
F.
Najafi
,
E.
Kalfon-Cohen
,
A. D.
Dane
, and
K. K.
Berggren
,
Nanotechnology
28
,
435205
(
2017
).
32.
I.
Holzman
and
Y.
Ivry
,
Adv. Quantum Technol.
2
,
1800058
(
2019
).
33.
P. E.
Janolin
,
B.
Fraisse
,
F. L.
Marrec
, and
B.
Dkhil
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
192910
(
2007
).
34.
P. F.
Fewster
and
A. F. W.
Willoughby
,
J. Cryst. Growth
50
,
648
(
1980
).
35.
I.
Holzman
and
Y.
Ivry
,
AIP Adv.
9
,
105028
(
2019
).
36.
A.
Banerjee
,
L. J.
Baker
,
A.
Doye
,
M.
Nord
,
R. M.
Heath
,
K.
Erotokritou
,
D.
Bosworth
,
Z. H.
Barber
,
I.
MacLaren
, and
R. H.
Hadfield
,
Supercond. Sci. Technol.
30
,
084010
(
2017
).
37.
S. P.
Chockalingam
,
M.
Chand
,
J.
Jesudasan
,
V.
Tripathi
, and
P.
Raychaudhuri
,
Phys. Rev. B
77
,
214503
(
2008
).
38.
N. P.
Breznay
,
K.
Michaeli
,
K. S.
Tikhonov
,
A. M.
Finkel'Stein
,
M.
Tendulkar
, and
A.
Kapitulnik
,
Phys. Rev. B
86
,
014514
(
2012
).
39.
J. W. C.
De Vries
and
A. H.
Van Ommen
,
J. Appl. Phys.
64
,
749
(
1988
).
40.
J. S.
Lehtinen
,
A.
Kemppinen
,
E.
Mykkänen
,
M.
Prunnila
, and
A. J.
Manninen
,
Supercond. Sci. Technol.
31
,
015002
(
2018
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.