[論文レビュー] Microwave response of an NS ring coupled to a superconducting resonator

F. Chiodi, M. Ferrier+6 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2010

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 11

ひとこと要約

本研究は、マルチモード超伝導共振器に結合された通常金属（NS）ジャンクションを有する超伝導リングのマイクロ波応答を調査する。GHz周波数帯での線形応答測定により、散乱的および非散乱的電流応答が特徴的な時間定数 ~0.6 ns のデバイ弛査則に従うことが明らかになった。これは通常領域を通過する拡산時間に起因するとされる。主な発見は、凍結されたアンドレーエフ準位状態に起因するため、フラックス依存応答に顕著な高調波成分が現れ、ジョセフソン電流のフラックス微分とは著しく異なることである。

ABSTRACT

A long phase coherent normal (N) wire between superconductors (S) is characterized by a dense phase dependent Andreev spectrum . We probe this spectrum in a high frequency phase biased configuration, by coupling an NS ring to a multimode superconducting resonator. We detect a dc flux and frequency dependent response whose dissipative and non dissipative components are related by a simple Debye relaxation law with a characteristic time of the order of the diffusion time through the N part of the ring. The flux dependence exhibits $h/2e$ periodic oscillations with a large harmonics content at temperatures where the Josephson current is purely sinusoidal. This is explained considering that the populations of the Andreev levels are frozen on the time-scale of the experiments.

研究の動機と目的

• 長大な拡散的通常金属-超伝導体（NS）リングにおけるアンドレーエフ準位の高周波動的挙動を調べること。
• 非平衡状態にある系において、GHz周波数帯での散乱的および非散乱的電流応答の起源を理解すること。
• 応答における緩和時間定数が、電子-電子散乱、電子-格子散乱、または拡散プロセスによって支配されているかどうかを特定すること。
• アンドレーエフ準位の占有状態が実験的時間スケールで凍結されており、それによりフラックス応答に高調波成分が生じるという仮説を検証すること。

提案手法

• NSリングは、Q ~ 80,000 の高品質（high-quality）マルチモード超伝導共振器に誘導結合されており、300 MHz から 6 GHz の周波数帯で動作する。
• 共振器の周波数および品質因子をリング内の直流磁束の関数として測定することで、電流応答の実部（χ′）および虚部（χ′′）を抽出できる。
• 実験データは、デバイ弛査モデル χ(ω,φ,T) = χ_d(φ,T)/(1 + iωτ) を用いてフィッティングされ、τ ≈ 0.6 ns が得られた。
• χ_d(φ,T) は、ジョセフソン電流のフラックス微分から計算され、位相依存のアンドレーエフ準位エネルギーと凍結占有状態を考慮している。
• 理論的モデリングにはウサデル方程式を用い、温度およびフラックス依存の背景寄与項 F(φ,T) を計算し、データから差し引いた。
• 熱的フラクチュエーションを抑制し感度を向上させるために、システムはミリケルビン温度（20 mK）まで冷却された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長大な通常領域を有するNSリングにおいて、マイクロ波領域での散乱的応答の起源は何か？
• RQ2 高周波数帯でジョセフソン電流が正弦関数的であるにもかかわらず、なぜフラックス依存応答に複数の高調波成分が現れるのか？
• RQ3 特徴的な緩和時間定数 τ ≈ 0.6 ns が、通常導体を通過する拡散時間 τ_D に関連しているのか？
• RQ4 観測された応答は、急速な位相振動に追従できないアンドレーエフ準位の占有状態が凍結していることによって説明できるか？
• RQ5 緩和ダイナミクスは、電子-電子散乱、電子-格子結合、または拡散プロセスを反映しているのか？

主な発見

• 散乱的（χ′′）および非散乱的（χ′）電流応答は、特徴的な時間定数 τ ≈ 0.6 ns のデバイ弛査則に従う。
• 緩和時間 τ は通常領域内での拡散時間 τ_D と整合しており、動的挙動が電子の拡散によって支配されていることを示している。
• χ′ および χ′′ の両方のフラックス依存性に顕著な高調波成分が現れるが、これは T = 1 K における直流ジョセフソン電流が正弦関数的であるのと対照的である。
• 高調波成分は、GHzスケールの時間でアンドレーエフ準位の占有状態が凍結されているため生じており、それらが位相振動に断続的に追従できないためである。
• δχ′′/δχ′ の周波数（2πf）依存性が線形であることが確認され、デバイ弛査モデルの妥当性が裏付けられた。
• 観測された応答は、平衡状態の占有状態緩和（τ_in ~ 100 ns）では説明できないため、拡散に起因するより速い非平衡緩和メカニズムが存在することが示された。