[論文レビュー] Could two degenerate energy states be observed for a superconducting ring at $\Phi_{0}$/2?

A. A. Burlakov, В. Л. Гуртовой+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2006

Quantum and electron transport phenomena参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、電子線リソグラフィーとリフトオフを用いて作製した非対称アルミニウム超伝導リングにおける量子的マクロな重ね合わせ状態を、臨界電流および整流電圧の揺らぎを測定することで調査した。半分の磁束量子（Φ₀/2）において、抵抗と臨界電流の揺らぎの間で相反する結果が得られ、マクロな実在性の破れを示唆し、Φ₀/2における二重簡約状態の実験的証明を提供した。これは、ミクロスコピック超伝導体における古典的実在性の挑戦である。

ABSTRACT

The Little-Parks oscillations of the resistance and the quantum oscillations of the rectified voltage observed for asymmetric superconducting Al rings give experimental evidence of two degenerate energy states at the magnetic flux $\Phi_{0}$/2. The quantum oscillations of the critical current as a function of magnetic field have also been measured. On the one hand, these oscillations confirm that the quantum oscillations of the rectified voltage are a consequence of periodical dependence of the asymmetry of the current-voltage curves and, on the other hand, comparison of the oscillations with Little-Parks measurements results in contradiction.

研究の動機と目的

• . 量子力学が予測するように、Φ₀/2における超伝導リングに二重簡約基底状態が存在するかを検証すること。
• . 抵抗および臨界電流における量子揺らぎが、単一の量子状態に一致するか、あるいは重ね合わせを示唆するかを調査すること。
• . 非対称リングにおけるリトル・パークスの抵抗揺らぎと臨界電流測定値の間の矛盾を解明すること。
• . ミクロスコピック超伝導系におけるマクロな実在性の妥当性を調べること。
• . Φ₀/2における持続的電流が、非古典的挙動を示し、量子重ね合わせと整合的であるかどうかを特定すること。

提案手法

• . 電子線リソグラフィーとリフトオフを用いて、半径 r = 2 µm、幅 wn = 0.2 µm、ww = 0.25–0.4 µm の非対称アルミニウムリングを形成した。
• . T ≈ 0.95–1.0 Tc の条件下で、抵抗および臨界電流 Ic+ と Ic− を磁束 Φ/Φ₀ の関数として測定した。
• . 速度量子化（1）と整合性を確認するために、整流電圧の揺らぎを臨界電流および抵抗の揺らぎと比較した。
• . 非対称性に起因する Ic+ および Ic− のシフトを、対称リングと比較して、磁束位相依存の持続的電流の有無を検出した。
• . ロンドン方程式および量子化された循環条件 ∫v dl = 2πℏ/m (n − Φ/Φ₀) を用いて、速度および電流の挙動をモデル化した。
• . 持続的電流 Ip ∝ (n − Φ/Φ₀) および非対称な腕における臨界電流非対称性 Ic,an ∝ Ip (sw/sn − sn/sw) の影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 . 量子力学が予測するように、超伝導リングにおけるΦ₀/2に二重簡約エネルギー状態が観測可能か？
• RQ2 . 抵抗および臨界電流における観測された量子揺らぎは、単一の量子状態に一致するか、あるいは重ね合わせを示唆するか？
• RQ3 . なぜ非対称リングにおける臨界電流揺らぎは、対称リングと比較して0.25磁束量子分のシフトを示すのか？これは抵抗測定と矛盾する。
• RQ4 . 抵抗と臨界電流の揺らぎの間の乖離は、ミクロスコピック超伝導体におけるマクロな実在性の破れの証拠とみなせるか？
• RQ5 . Φ₀/2における持続的電流は、古典的フラックス量子化と実験的に区別可能か？

主な発見

• . Φ₀/2において、抵抗揺らぎは速度量子化に一致する最大値を示し、v² ∝ (n − Φ/Φ₀)² が最大値に達することを示唆している。
• . 非対称リング（ww/wn ≥ 1.25）における臨界電流 Ic+ および Ic− は、対称リングと比較して0.25磁束量子分のシフトを示し、Ic+(Φ/Φ₀) = Ic(Φ/Φ₀ − 0.25) が成り立つ。
• . 臨界電流のシフトは、誘導磁束寄与（ΦI < 0.04Φ₀）では説明できず、幾何的または誘導的アーチファクトを除外する。
• . 抵抗の最大値がΦ₀/2、臨界電流の最小値がΦ₀/2に現れるという矛盾は、古典的実在性と整合しないことを示している。
• . データは、Φ₀/2における状態の重ね合わせが生じている可能性を示唆し、マクロな実在性の原則に反する。
• . 抵抗と臨界電流の揺らぎの間の観測された乖離は、ミクロスコピック超伝導リングにおける量子的マクロな重ね合わせの実験的証拠を提供する。