This study explores gate-controlled superconductivity in metallic superconductors by employing a top-gate architecture with a 15 nm monocrystalline h-BN as a gate dielectric. The transport properties under gate voltage can be elucidated by injecting high-energy electrons, following the Fowler–Nordheim electron field emission model. In contrast to conventional resistive Joule heating, high-energy electron injection with top-gating exhibits excellent power efficiency in suppressing superconductivity. A nearby superconducting bridge, which serves as a thermometer, indicates that our top-gate device can achieve good local control, well limited within a distance of 0.6 μm due to the very low top-gating power. These findings are essential for advancing efficient and highly integrated tunable superconducting electronic devices.
REFERENCES
1.
F.
Wilhelm
,
G.
Schon
, and
A.
Zaikin
, Phys. Rev. Lett.
81
, 1682
–1685
(1998
).2.
A. F.
Volkov
, Phys. Rev. Lett.
74
, 4730
–4733
(1995
).3.
A. F.
Morpurgo
,
T. M.
Klapwijk
, and
B. J.
van Wees
, Appl. Phys. Lett.
72
, 966
–968
(1998
).4.
Z. Y.
Xu
,
W. H.
Tian
,
S. X.
Chen
,
W. C.
Yue
,
H. M.
Du
,
D. D.
Li
,
Z. H.
Wei
,
Y. Y.
Lyu
,
H. C.
Sun
,
Y. L.
Wang
,
G. Z.
Sun
,
J.
Chen
,
B. B.
Jin
,
H. B.
Wang
, and
P. H.
Wu
, Supercond. Sci. Technol.
34
, 125012
(2021
).5.
A. N.
McCaughan
,
V. B.
Verma
,
S.
Buckley
,
J. P.
Allmaras
,
A. G.
Kozorezov
,
A. N.
Tait
,
S. W.
Nam
, and
J. M.
Shainline
, Nat. Electron.
2
, 451
–456
(2019
).6.
S.
Eley
,
A.
Glatz
, and
R.
Willa
, J. Appl. Phys.
130
, 050901
(2021
).7.
O.
Maillet
,
D.
Subero
,
J. T.
Peltonen
,
D. S.
Golubev
, and
J. P.
Pekola
, Nat. Commun.
11
, 4326
(2020
).8.
A.
Fornieri
and
F.
Giazotto
, Nat. Nanotechnol.
12
, 944
–952
(2017
).9.
J.
Senior
,
A.
Gubaydullin
,
B.
Karimi
,
J. T.
Peltonen
,
J.
Ankerhold
, and
J. P.
Pekola
, Commun. Phys.
3
, 40
(2020
).10.
A. N.
McCaughan
and
K. K.
Berggren
, Nano Lett.
14
, 5748
–5753
(2014
).11.
R. M.
Heath
,
M. G.
Tanner
,
T. D.
Drysdale
,
S.
Miki
,
V.
Giannini
,
S. A.
Maier
, and
R. H.
Hadfield
, Nano Lett.
15
, 819
–822
(2015
).12.
C. G. L.
Bøttcher
,
F.
Nichele
,
M.
Kjaergaard
,
H. J.
Suominen
,
J.
Shabani
,
C. J.
Palmstrøm
, and
C. M.
Marcus
, Nat. Phys.
14
, 1138
–1144
(2018
).13.
F. R.
Ong
,
Z.
Cui
,
M. A.
Yurtalan
,
C.
Vojvodin
,
M.
Papaj
,
J.-L. F. X.
Orgiazzi
,
C.
Deng
,
M.
Bal
, and
A.
Lupascu
, Nanotechnology
26
, 405201
(2015
).14.
G.
Kawaguchi
,
A. A.
Bardin
,
M.
Suda
,
M.
Uruichi
, and
H. M.
Yamamoto
, Adv. Mater.
31
, 1805715
(2018
).15.
G.
Sharma
,
M.
Trushin
,
O. P.
Sushkov
,
G.
Vignale
, and
S.
Adam
, Phys. Rev. Res.
2
, 022040
(2020
).16.
J.
Biscaras
,
N.
Bergeal
,
S.
Hurand
,
C.
Grossetête
,
A.
Rastogi
,
R. C.
Budhani
,
D.
LeBoeuf
,
C.
Proust
, and
J.
Lesueur
, Phys. Rev. Lett.
108
, 247004
(2012
).17.
S.
Sengupta
,
M.
Monteverde
,
A.
Murani
,
C.
Marrache-Kikuchi
,
A.
Santander-Syro
, and
F.
Fortuna
, Phys. Rev. B
105
, 125112
(2022
).18.
F.
Deon
,
V.
Pellegrini
,
F.
Giazotto
,
G.
Biasiol
,
L.
Sorba
, and
F.
Beltram
, Phys. Rev. B
84
, 100506
(2011
).19.
L.
Casparis
,
M. R.
Connolly
,
M.
Kjaergaard
,
N. J.
Pearson
,
A.
Kringhoj
,
T. W.
Larsen
,
F.
Kuemmeth
,
T.
Wang
,
C.
Thomas
,
S.
Gronin
,
G. C.
Gardner
,
M. J.
Manfra
,
C. M.
Marcus
, and
K. D.
Petersson
, Nat. Nanotechnol.
13
, 915
–919
(2018
).20.
R. E.
Glover
and
M. D.
Sherrill
, Phys. Rev. Lett.
5
, 248
–250
(1960
).21.
G.
Bonfiglioli
,
R.
Malvano
, and
B. B.
Goodman
, J. Appl. Phys.
33
, 2564
–2566
(1962
).22.
23.
G.
De Simoni
,
F.
Paolucci
,
P.
Solinas
,
E.
Strambini
, and
F.
Giazotto
, Nat. Nanotechnol.
13
, 802
–805
(2018
).24.
F.
Paolucci
,
G.
De Simoni
,
P.
Solinas
,
E.
Strambini
,
N.
Ligato
,
P.
Virtanen
,
A.
Braggio
, and
F.
Giazotto
, Phys. Rev. Appl.
11
, 024061
(2019
).25.
F.
Paolucci
,
G.
De Simoni
,
E.
Strambini
,
P.
Solinas
, and
F.
Giazotto
, Nano Lett.
18
, 4195
–4199
(2018
).26.
M.
Rocci
,
G.
De Simoni
,
C.
Puglia
,
D. D.
Esposti
,
E.
Strambini
,
V.
Zannier
,
L.
Sorba
, and
F.
Giazotto
, ACS Nano
14
, 12621
–12628
(2020
).27.
G.
De Simoni
,
C.
Puglia
, and
F.
Giazotto
, Appl. Phys. Lett.
116
, 242601
(2020
).28.
D.
Prete
,
E.
Dimaggio
,
V.
Demontis
,
V.
Zannier
,
M. J.
Rodriguez‐Douton
,
L.
Guazzelli
,
F.
Beltram
,
L.
Sorba
,
G.
Pennelli
, and
F.
Rossella
, Adv. Funct. Mater.
31
, 2104175
(2021
).29.
T.
Elalaily
,
O.
Kurtossy
,
Z.
Scherubl
,
M.
Berke
,
G.
Fulop
,
I. E.
Lukacs
,
T.
Kanne
,
J.
Nygard
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
P.
Makk
, and
S.
Csonka
, Nano Lett.
21
, 9684
–9690
(2021
).30.
S.
Yu
,
L.
Chen
,
Y.
Pan
,
Y.
Wang
,
D.
Zhang
,
G.
Wu
,
X.
Fan
,
X.
Liu
,
L.
Wu
,
L.
Zhang
,
W.
Peng
,
J.
Ren
, and
Z.
Wang
, Nano Lett.
23
, 8043
–8049
(2023
).31.
M. F.
Ritter
,
N.
Crescini
,
D. Z.
Haxell
,
M.
Hinderling
,
H.
Riel
,
C.
Bruder
,
A.
Fuhrer
, and
F.
Nichele
, Nat. Electron.
5
, 71
–77
(2022
).32.
M. F.
Ritter
,
A.
Fuhrer
,
D. Z.
Haxell
,
S.
Hart
,
P.
Gumann
,
H.
Riel
, and
F.
Nichele
, Nat. Commun.
12
, 1266
(2021
).33.
L. D.
Alegria
,
C. G. L.
Bottcher
,
A. K.
Saydjari
,
A. T.
Pierce
,
S. H.
Lee
,
S. P.
Harvey
,
U.
Vool
, and
A.
Yacoby
, Nat. Nanotechnol.
16
, 404
–408
(2021
).34.
I.
Golokolenov
,
A.
Guthrie
,
S.
Kafanov
,
Y. A.
Pashkin
, and
V.
Tsepelin
, Nat. Commun.
12
, 2747
(2021
).35.
J.
Basset
,
O.
Stanisavljević
,
M.
Kuzmanović
,
J.
Gabelli
,
C. H. L.
Quay
,
J.
Estève
, and
M.
Aprili
, Phys. Rev. Res.
3
, 043169
(2021
).36.
H.
Du
,
Z.
Xu
,
Z.
Wei
,
D.
Li
,
S.
Chen
,
W.
Tian
,
P.
Zhang
,
Y.-Y.
Lyu
,
H.
Sun
,
Y.-L.
Wang
,
H.
Wang
, and
P.
Wu
, Supercond. Sci. Technol.
36
, 095005
(2023
).37.
T.
Jalabert
,
E. F. C.
Driessen
,
F.
Gustavo
,
J. L.
Thomassin
,
F.
Levy-Bertrand
, and
C.
Chapelier
, Nat. Phys.
19
, 956
–960
(2023
).38.
R. H.
Fowler
and
L.
Nordheim
, Proc. R. Soc. London, Ser. A
119
(781
), 173
–181
(1997
).39.
Y. L.
Chiou
,
J. P.
Gambino
, and
M.
Mohammad
, Solid State Electron.
45
, 1787
–1791
(2001
).40.
M. Z.
Iqbal
and
M. M.
Faisal
, J. Appl. Phys.
125
, 084902
(2019
).41.
Y. N.
Xu
and
W. Y.
Ching
, Phys. Rev. B
44
, 7787
–7798
(1991
).42.
G.-H.
Lee
,
Y.-J.
Yu
,
C.
Lee
,
C.
Dean
,
K. L.
Shepard
,
P.
Kim
, and
J.
Hone
, Appl. Phys. Lett.
99
, 243114
(2011
).43.
A.
Gupta
,
G.
Chen
,
P.
Joshi
,
S.
Tadigadapa
, and
P. C.
Eklund
, Nano Lett.
6
, 2667
(2006
).44.
V.
Morgoon
,
R.
Jardim
,
V.
Bindilatti
,
C.
Becerra
,
D.
Rodrigues
,
A.
Bondarenko
, and
A.
Sivakov
, J. Supercond.
9
, 129
–134
(1996
).45.
Y.
Chong
,
P. D.
Dresselhaus
, and
S. P.
Benz
, Appl. Phys. Lett.
83
, 1794
–1796
(2003
).46.
A.
Gurevich
and
R.
Mints
, Rev. Mod. Phys.
59
, 941
–999
(1987
).© 2024 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2024
Author(s)
You do not currently have access to this content.
