[論文レビュー] Microwave spectroscopy of interacting Andreev spins

Jaap J. Wesdorp, F. J. Matute-Cañadas+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、最大1 Tの磁場下でフラックス調製可能な超伝導回路を用いて、InAs/Alナノワイヤヨウジソン接合における相互作用するアンドレーエフ束縛状態のマイクロ波分光法を実施した。磁場依存の回避クロスイングを通じてスピン極化された三重項アンドレーエフ状態を同定し、直接的な磁場駆動スピン反転遷移を観測し、ゲートで調整可能な異常位相シフトを最大0.7πで測定した。これにより、ハイブリッドナノワイヤ系における重要なスピン三重項物理学とスーパーキャリアが明らかになった。

ABSTRACT

Andreev bound states are fermionic states localized in weak links between superconductors which can be occupied with spinful quasiparticles. Microwave experiments using superconducting circuits with InAs/Al nanowire Josephson junctions have recently enabled probing and coherent manipulation of Andreev states but have remained limited to zero or small fields. Here we use a flux-tunable superconducting circuit in external magnetic fields up to 1T to perform spectroscopy of spin-polarized Andreev states up to ~250 mT, beyond which the spectrum becomes gapless. We identify singlet and triplet states of two quasiparticles occupying different Andreev states through their dispersion in magnetic field. These states are split by exchange interaction and couple via spin-orbit coupling, analogously to two-electron states in quantum dots. We also show that the magnetic field allows to drive a direct spin-flip transition of a single quasiparticle trapped in the junction. Finally, we measure a gate- and field-dependent anomalous phase shift of the Andreev spectrum, of magnitude up to approximately $0.7π$. Our observations demonstrate new ways to manipulate Andreev states in a magnetic field and reveal spin-polarized triplet states that carry supercurrent.

研究の動機と目的

• 高磁場下におけるハイブリッドナノワイヤヨウジソン接合のスピン分解された多体アンドレーエフ束縛状態のスペクトルを調べること。
• アンドレーエフスペクトルに現れるスピン三重項対称性および交換相互作用の兆候を同定すること。
• 超伝導回路プラットフォーム上で、1つの準粒子のスピン反転遷移を外部磁場で直接制御できることを示すこと。
• ゲートおよび磁場依存の異常位相シフトを測定・解析すること。

提案手法

• 高エネルギー分解能を達成するため、InAs/Alナノワイヤヨウジソン接合を有するフラックス調製可能な超伝導回路を用いてマイクロ波分光法を実施した。
• ゼーマン分裂を調整し、スピン依存のアンドレーエフ状態をプローブするために、最大1 Tの外部磁場を適用した。
• マイクロ波吸収分光法を用いて個々のアンドレーエフ準位およびその磁場分散を解像した。
• 相互作用を含まないタイトバインディングシミュレーションを実施し、スピン軌道結合、ゼーマン効果、電子-電子交換相互作用を含む最小限のモデルを構築した。
• スペクトルを解析して、単重項-三重項の回避クロスイングを特定し、異常位相シフトを抽出した。
• 偶奇性選択的測定を用いて、偶数および奇数パリティのアンドレーエフ状態を区別した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン軌道結合および電子-電子相互作用は、アンドレーエフ束縛状態の磁場依存性にどのように現れるか？
• RQ2 InAs/Alナノワイヤヨウジソン接合において、スピン三重項対称性の存在を示すマイクロ波スペクトルの兆候は何か？
• RQ3 1つの準粒子がアンドレーエフ状態に閉じ込められている場合、外部磁場によって直接的なスピン反転遷移を駆動できるか？
• RQ4 高磁場下で観測されたゲートで調整可能な異常位相シフトの起源と大きさは何か？
• RQ5 アンドレーエフ状態間の相互作用は、どのように単重項状態と三重項状態の混合を引き起こすか？

主な発見

• マイクロ波スペクトルは、スピン軌道結合および交換相互作用による単重項-三重項状態の混合を示す明確な単重項-三重項回避クロスイングを示した。
• スピン極化された三重項アンドレーエフ状態は、特徴的な磁場分散により同定され、接合内の交換相互作用と整合する分裂を示した。
• 1つの準粒子のスピン反転遷移が外部磁場によって直接駆動されていることが観測され、2番目の束縛状態を必要とせずに1つのアンドレーエフ状態のスピンを制御可能であることが示された。
• 最大約0.7πの異常位相シフトが測定され、これはゲートで調整可能で、高磁場下での多体アンドレーエフスペクトルに起因するとされた。
• ~250 mTを超えるとスペクトルがギャップレスになることから、非超伝導的またはトポロジカルに異なる相への転移が示唆された。
• 本結果は、スピン軌道結合および電子-電子相互作用が、ハイブリッドナノワイヤ接合における多体アンドレーエフスペクトルを理解するために不可欠であることを確認した。