[論文レビュー] Dynamical Stabilization of Multiplet Supercurrents in Multi-terminal Josephson Junctions

Ethan G. Arnault, Sara Idris+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2022

Quantum and electron transport phenomena参考文献 40被引用数 35

ひとこと要約

本論文は、特定のバイアス条件（nV₁ = −mV₂）における位相ロックされた振動を通じて、三端子ジョセフソン接合において、4個以上の電子のエンタングルド状態であるマルチプレットスーパーキャリントが動的安定化され得ることを示している。静的エンタングルメントに依存するのではなく、動的安定化が実現される。グラフェンベースの接合、アナログ回路、およびシミュレーションを用いて、著者らは、これらの共鳴がカピツァの逆パンドラに類似した動的安定化によって生じることを示している。これにより、トポロジカルキュービットの設計に有用な、頑健で古典的に安定した2φ高調波スーパーキャリントが実現可能である。

ABSTRACT

The dynamical properties of multi-terminal Josephson junctions have recently attracted interest, driven by the promise of new insights into synthetic topological phases of matter and Floquet states. This effort has culminated in the discovery of Cooper multiplets, in which the splitting of a Cooper pair is enabled via a series of Andreev reflections that entangle four (or more) electrons. In this text, we show conclusively that multiplet resonances can also emerge as a consequence of the three terminal circuit model. The supercurrent appears due to the correlated phase dynamics at values that correspond to the multiplet condition $nV_1 = -mV_2$ of applied bias. The emergence of multiplet resonances is seen in i) a nanofabricated three-terminal graphene Josephson junction, ii) an analog three terminal Josephson junction circuit, and iii) a circuit simulation. The mechanism which stabilizes the state of the system under those conditions is purely dynamical, and a close analog to Kapitza's inverted pendulum problem. We describe parameter considerations that best optimize the detection of the multiplet lines both for design of future devices. Further, these supercurrents have a classically robust $\cos2\phi$ energy contribution, which can be used to engineer qubits based on higher harmonics.

研究の動機と目的

• マルチ端子ジョセフソン接合におけるマルチプレットスーパーキャリントが、静的エンタングルメントではなく、動的位相安定化によって生じることを示すこと。
• 特定のバイアス条件（nV₁ = −mV₂）におけるこれらのスーパーキャリントを安定化する動的メカニズムを同定および特徴付けること。
• 実験的に三端子グラフェンジョセフソン接合を用い、アナログ回路および回路シミュレーションを通じて現象を検証すること。
• 今後の量子デバイスにおけるマルチプレット共鳴の検出を向上させるためのデバイスパラメータの最適化を行うこと。
• これらの系におけるcos²φエネルギー寄与の可能性を評価し、高調波キュービットの設計に応用すること。

提案手法

• 2次元位相ダイナミクスに拡張されたRCSJフレームワークを用いて、抵抗およびコンデンサを含むショートサーキット付きジョセフソン接合のネットワークとして三端子接合をモデル化する。
• ジョセフソン関係およびキルヒホッフの法則を組み込んだ、位相変数φLおよびφRの連立微分方程式系を導出する。
• nV₁ = −mV₂の条件を適用し、スーパーキャリントが出現する動的安定化点を同定する。
• 30 mKでナノプロセスされた封止型グラフェン三端子ジョセフソン接合を用いた実験を実施する。
• 動的挙動を再現するためにアナログジョセフソン接合回路を構築およびテストする。
• 観測された共鳴および位相ダイナミクスを検証するための回路シミュレーションを実行する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチ端子ジョセフソン接合におけるマルチプレットスーパーキャリントは、静的エンタングルメントではなく、動的位相ロックによって安定化可能か？
• RQ2 どの特定のバイアス条件（nV₁ = −mV₂）がこれらの動的共鳴を生じさせるか？
• RQ3 ゲート電圧および接触透過率の変動が、マルチプレット線の可視度に与える影響は何か？
• RQ4 動的安定化メカニズムは、アナログ回路およびシミュレーションでどの程度再現可能か？
• RQ5 cos²φエネルギー寄与は、高調波キュービット設計を可能にする役割を果たすか？

主な発見

• バイアス条件nV₁ = −mV₂を満たすとき、三端子グラフェンジョセフソン接合に四重項線（Q）として特定されるマルチプレット共鳴が出現し、動的安定化を示している。
• ドーパイント（VG = −2 V）付近では、接触透過率が低下し、通常抵抗（Rn）が増加し、コherent輸送が抑制されるため、四重項線が消失する。これは、非散乱MARの喪失と整合的である。
• 観測された共鳴は、微視的マルチコンタクトアンドレーエフ過程によるものではなく、RCSJモデルにおける位相ロックされた振動に起因する古典的動的効果である。
• 系は、古典的に頑健なcos²φエネルギー寄与を示しており、高調波に基づくキュービットの設計に安定したプラットフォームを提供する。
• 動的安定化メカニズムは、カピツァの逆パントラムに類似しており、位相振動が不安定状態を安定化させている。
• 特にゲート電圧および電流バイアスのパラメータチューニングにより、マルチプレット線の可視度を最適化でき、今後の量子デバイスの設計原理を提供する。