[論文レビュー] Evidence for 4e charge of Cooper quartets in a biased multi-terminal graphene-based Josephson junction

Ko-Fan Huang, Yuval Ronen+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2020

Quantum Information and Cryptography被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、超伝導フラックスループを備えたゲート可変、4端子のグラフェンベースのジョセフソン接合を用いて、4e電荷のコープァー準粒子四重項の証拠を示した。直流バイアス電圧を印加することで、非単調な臨界電流の振動と4e周期性を示す磁気振動を観測し、フロケットバンドにおけるランダウ＝ツェナー遷移を介したもつれたコープァー四重項アンドレーエフ束縁状態の干渉が、一貫して起こっていることを確認した。

ABSTRACT

In a Josephson junction (JJ), Cooper pairs are transported via Andreev bound states (ABSs) between superconductors. The ABSs in the weak link of multi-terminal (MT) JJs can coherently hybridize two Cooper pairs among different superconducting electrodes, resulting in the Cooper quartet (CQ) involving four fermions entanglement. The energy spectrum of these CQ-ABS can be controlled by biasing MT-JJs due to the AC Josephson effect. Here, using gate tunable four-terminal graphene JJs complemented with a flux loop, we construct CQs with a tunable spectrum. The critical quartet supercurrent exhibits magneto-oscillation associated with a charge of 4e; thereby presenting the evidence for interference between entangled CQ-ABS. At a finite bias voltage, we find the DC quartet supercurrent shows non-monotonic bias dependent behavior, attributed to Landau-Zener transitions between different Floquet bands. Our experimental demonstration of coherent non-equilibrium CQ-ABS sets a path for design of artificial topological materials based on MT-JJs.

研究の動機と目的

• マルチ端子ジョセフソン接合において、4つの電子がもつれた状態であるコープァー四重項の存在を実験的に証明すること。
• ゲート調整と磁場フラックス制御を用いて、これらの四重項の干渉的非平衡ダイナミクスを調べること。
• もつれたコープァー四重項アンドレーエフ束縁状態間の干渉に起因する4e電荷輸送の兆候を特定すること。
• 直流バイアスによる周期的駆動が、四重項スペクトル内のフロケットバンド間のランダウ＝ツェナー遷移を誘発する役割を調査すること。

提案手法

• Ti/Al超伝導接点と統合された超伝導フラックスループを有する4端子のグラフェン-hBN-SiO2ジョセフソン接合をフォトリソグラフィーで作製した。
• 各接点における化学ポテンシャルと結合強度をゲート電圧で制御することで、アンドレーエフ束縁状態スペクトルの設計が可能になった。
• 直流バイアス電圧を印加して系を非平衡状態に誘導し、交流ジョセフソン効果によってアンドレーエフ束縁状態の周期的変調を誘発した。
• スーパーキャリアと位相依存輸送をプローブするため、バイアス電圧、磁場、バックゲート電圧を関数として微分コンダクタンス（dI/dV）を測定した。
• SQUIDに類似した幾何構造を用いてフラックス依存干渉パターンを検出。周期性はループ面積と4e電荷の特徴と関連していた。
• ランダウ＝ツェナー遷移に起因する時間周期的バンドと回避クロスイングの形成を記述するため、フロケット理論モデルをデータ解析に用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチ端子グラフェンジョセフソン接合において、コープァー四重項状態が干渉的に励起され、プローブ可能か？
• RQ2 臨界超電流が磁束に対して4e周期性を示すか？これにより四重項対称性が裏付けられるか？
• RQ3 直流バイアス電圧が四重項電流に与える影響は何か？また、観測された非単調な挙動にランダウ＝ツェナー遷移が果たす役割は？
• RQ4 アンドレーエフ＝フロケットバンド構造は、観測された電流の振動および逆転をどの程度説明できるか？
• RQ5 結合の非対称性やフラックススレーピングの変動に対して、4e電荷の特徴はどれほど頑健か？

主な発見

• 臨界四重項超電流は、4e電荷に対応する周期性を示す磁気振動を示し、コープァー四重項対称性の直接的証拠となった。
• 有限バイアス下で、直流四重項超電流は電圧に対して非単調な挙動を示し、フロケットバンド構造内の回避クロスイング間のランダウ＝ツェナー遷移が関与していることが示された。
• 臨界電流の極小値は、アンドレーエフ＝フロケットラダーにおける反対方向の電流を有する断熱状態の量子混合を確認するように、完全に一致した。
• 共鳴位置のフラックス依存性から、4e周期性が磁束がループをスレーピングすることによってもたらされ、Φ = 0 と Φ = Φ₀/2 の間に明確な位相シフトが観測された。
• 多レベルドット系の数値モデルは、現実的な結合非対称性下でも電流の逆転と4e周期性が維持されることを確認し、この効果の頑健性を示した。
• 共鳴点付近ではπジャンクション的性質を示し、強い2Φ₀/2周期成分が観測された。これは四重項状態を含む量子過程の存在を示唆している。