[論文レビュー] Experimental investigations of the change with magnetic flux of quantum number in superconducting ring

A. V. Burlakov, В. Л. Гуртовой+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2011

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、非対称な電流リードを有する超伝導性アルミニウムリングにおける量子数遷移を調査し、臨界電流の磁束依存性を測定した。理論的には、半整数の磁束量子（Φ = (n+0.5)Φ₀）において、量子数の変化に起因して臨界電流に不連続なジャンプが予測されているが、実験では滑らかで連続的な変化が観測され、標準的な量子形式主義に反する。特に、Φ = (n+0.5)Φ₀近辺に予想されるジャンプが観測されないという逆説的現象が明らかになった。

ABSTRACT

The magnetic dependencies of the critical current of aluminum ring with asymmetric link-up of current leads have been measured in order to clear up the essence of the paradoxical absence of the jump of the critical current at the quantum number change revealed before at the measurements of asymmetric superconducting ring. The measurements have shown that the experimental and theoretical dependencies agree in the region of magnetic field corresponding to integer numbers of the flux quantum and disagree at the half of the flux quantum. The jump is not observed as well as in the asymmetric rings.

研究の動機と目的

• 非対称な超伝導リングにおける量子数遷移の際の臨界電流のジャンプが欠落しているという逆説を解明すること。
• 量子形式主義が予測するΦ = (n+0.5)Φ₀における不連続性が、実験的に観測可能かどうかを調査すること。
• 非対称な電流リードの幾何学的形状が、磁束変化に伴う臨界電流挙動に与える影響を検討すること。
• 整数および半整数の磁束量子付近における実験的臨界電流依存性と理論的モデルの比較を行うこと。
• 従来の説明では説明できない、以前に観測された臨界電流異方性における1/4磁束量子シフト（1/4Φ₀）の起源を探索すること。

提案手法

• 半径 ≈1 μm で非対称な電流リード幾何形状（l_sh ≈ 0.35×2πr、l_long ≈ 0.65×2πr）を有するアルミニウム超伝導リングをプロセスした。
• T ≈ 0.900T_cおよびT ≈ 0.933T_cの温度で、反対方向の電流における臨界電流I_c+およびI_c-の磁束依存性を測定した。
• 理論的モデル I_c± = I_c0 ± I_p,A(n − Φ/Φ₀) を用いて、Φ = (n+0.5)Φ₀における予想されるΔI_c = I_p,Aのジャンプを予測した。
• 実験的I_c(Φ/Φ₀)曲線と理論的予測を比較し、Φ ≈ nΦ₀近辺での一致と、Φ ≈ (n+0.5)Φ₀近辺での不一致に注目した。
• 周期性のずれを検出するために、臨界電流異方性I_c,an(Φ/Φ₀) = I_c+(Φ/Φ₀ + Δφ) − I_c−(Φ/Φ₀ − Δφ) を分析した。
• 量子数遷移に伴う持続電流の向きの反転が、臨界電流挙動に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ理論的予測では量子数nの変化に起因する不連続性が予想されるが、実験では半整数磁束量子（Φ = (n+0.5)Φ₀）における臨界電流のジャンプが観測されないのか？
• RQ2 非対称な電流リード幾何形状は、超伝導リングにおける磁束依存性臨界電流にどのように影響を与えるか？
• RQ3 実験的に観測された臨界電流異方性における1/4磁束量子シフト（Δφ ≈ 1/4）の原因は何か？これは標準的な量子形式主義と矛盾する。
• RQ4 なぜ実験的および理論的臨界電流依存性は整数磁束量子（Φ = nΦ₀）付近では一致するが、半整数量子付近では不一致を示すのか？
• RQ5 Φ = (n+0.5)Φ₀近辺での臨界電流の滑らかな変化は、持続電流の向きの反転に起因する急激な変化の予想とどの程度矛盾しているのか？

主な発見

• Φ ≈ (n+0.5)Φ₀近辺での測定臨界電流I_c+およびI_c−は、理論的予測のΔI_c = I_p,Aに起因するジャンプが観測されないまま、滑らかに変化している。
• 実験データは整数磁束量子（Φ ≈ nΦ₀）付近で理論的予測と良好に一致しており、この領域におけるモデルの妥当性を確認した。
• 実験と理論の不一致は、特定にΦ ≈ (n+0.5)Φ₀付近に顕著に現れ、予想される不連続性が欠落している。
• 持続電流の振幅I_p,Aは十分に大きく（I_p,A / I_c0 < 0.25）、ジャンプの欠落は測定限界によるものではなく、統計的に有意である。
• 臨界電流異方性における観測された1/4磁束量子シフト（Δφ ≈ 1/4）は、標準的な量子力学的期待と一致せず、未だ説明がつかない。
• 半整数磁束量子付近でのI_c(Φ/Φ₀)の滑らかな挙動は、不連続性が根本的に抑制されている可能性を示唆しており、標準モデルが捉えきれない量子コherenceまたは非断熱効果に起因する可能性がある。