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QUICK REVIEW

[論文レビュー] Observation of nonlocal Josephson effect on double InAs nanowires

Sadashige Matsuo, Joon Sue Lee|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2021
Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用数 6
ひとこと要約

本研究では、二つのジャンクションが共通の超伝導電極を共有する二重インジウムヒ素ナノワイヤにおける非局所ジョゼフソン効果を実験的に示した。一方のジャンクションのスイッチング電流が、他方のジャンクションにおける位相差を通じたコherent結合によって制御されることを確認した。磁束の関数としてのスイッチング電流の振動的変化の観測により、アンドレーエフ分子状態の存在が裏付けられ、トポロジカル量子計算および非局所的超電流制御への道が開かれた。

ABSTRACT

Short-range coherent coupling of two Josephson junctions (JJs) are predicted to generate a supercurrent in one JJ nonlocally modulated by the phase difference in the other. We report on observation of the nonlocal Josephson effect on double InAs nanowires as experimental evidence of the coherent coupling. We measured one JJ sharing one superconducting electrode with the other JJ and observed switching current oscillation as a control of the nonlocal phase difference. Our result is an important step toward engineering of novel superconducting phenomena with the short-range coherent coupling.

研究の動機と目的

  • 二重インジウムヒ素ナノワイヤ上に形成された二つのジョゼフソンジャンクション（JJ）が、共通の超伝導電極を通じてコherent結合することを実証すること。
  • 非局所ジョゼフソン効果の実験的証明、すなわち一方のJJにおける超電流が他方のJJの位相差によって制御されることを示すこと。
  • 共通の超伝導体を介したアンドレーエフ局在状態のハイブリダイゼーションによって形成されるアンドレーエフ分子状態（AMS）の存在を検証すること。
  • 時間反転不変なトポロジカル超伝導およびハイブリッドナノワイヤデバイスにおける非局所的量子制御を実現するためのプラットフォームを構築すること。

提案手法

  • 60 nmの間隔を保ちながら、空間的に分離された平行なナノワイヤを高収率で得られるように、選択的領域成長（SAG）を用いて二重インジウムヒ素ナノワイヤを形成した。
  • 上部および下部のナノワイヤにそれぞれJJUおよびJJLと呼ぶ二つのジョゼフソンジャンクションを形成し、Alのエpitaxialキャップを用いて高透過率を実現した。
  • 上部のJJ（JJU）のスイッチング電流に非局所的制御を可能にするために、上部のJJとは独立して位相差を制御できるゲートチューナブルなトップゲート（Ti/Au）を用いた。
  • 10 mKでロックイン技術を用いて微分コンダクタンスおよびスイッチング電流を測定し、JJLの電流および磁束の関数としてJJUのスイッチング電流に非局所的モードが存在することを検出した。
  • 共通の電極を通過する磁束を調整できる超伝導ループを用い、スイッチング電流の磁束依存性の振動を観測した。
  • 分離距離（0.2–1.0 µm）を変化させた単一ナノワイヤ二重ジャンクションデバイスを用いた制御実験を行い、観測された効果におけるコherent結合の役割を確認した。
Figure 1: Concept of this study and device structure. (a) AMS formation is shown. The ABSs of JJU and JJL penetrate the SC electrodes, as illustrated in the middle panel. When the separation of the two JJs is short, the ABSs in the respective nanowires are hybridised to form an AMS. (b) SEM image of
Figure 1: Concept of this study and device structure. (a) AMS formation is shown. The ABSs of JJU and JJL penetrate the SC electrodes, as illustrated in the middle panel. When the separation of the two JJs is short, the ABSs in the respective nanowires are hybridised to form an AMS. (b) SEM image of

実験結果

リサーチクエスチョン

  • RQ1共通の超伝導電極を共有する二重インジウムヒ素ナノワイヤ系において、非局所ジョゼフソン効果を実験的に観測できるか？
  • RQ2一方のジョゼフソンジャンクションのスイッチング電流が、共通の超伝導体を通じたコherent結合によって他方のジャンクションの位相差に依存するか？
  • RQ3観測された非局所的モードが、アンドレーエフ局在状態のハイブリダイゼーションによって形成されるアンドレーエフ分子状態（AMS）と整合的か？
  • RQ4磁束およびゲート電圧が非局所的超電流をどのように制御するか、そしてそれがコherent結合の存在をどのように裏付けるか？
  • RQ5二つのジャンクション間の空間的分離距離が、非局所ジョゼフソン効果の可視性にどのように影響するか？

主な発見

  • 共通の超伝導ループを通過する磁束の関数として、上部のジョゼフソンジャンクション（JJU）のスイッチング電流に明確な振動が観測され、非局所的位相制御が裏付けられた。
  • JJUのスイッチング電流の振動は、下部のジャンクション（JJL）に注入された電流によってモード化されており、位相差を介した非局所的超電流制御が実証された。
  • 観測された振動の周期は h/2e であり、磁束量子と整合的で、共通の超伝導体を通じたコherent結合の存在を示している。
  • 分離距離が0.6 µmを超えるデバイスでは非局所効果が観測されず、この効果が短距離のコherent結合に依存していることが確認された。
  • マッキューマー定数β ≈ 0.025の低さにより、IV曲線に明確なヒステリシスが見られなかったが、非局所的振動は依然として安定していた。
  • 非局所的ゲート電圧依存性がスイッチング電流に現れたことから、この効果は容量結合によるクロストークではなく、アンドレーエフ分子状態を通じた真の位相コherent結合に起因することが確認された。
Figure 2: 3 terminal measurement of the two coupled Josephson junctions on the double nanowire. (a) shows a schematic of the electrical circuit used for measurement of sample A. (b) and (c) show the differential resistances of JJU and JJL, respectively, as a function of $I_{\rm U}$ and $I_{\rm L}$ ,
Figure 2: 3 terminal measurement of the two coupled Josephson junctions on the double nanowire. (a) shows a schematic of the electrical circuit used for measurement of sample A. (b) and (c) show the differential resistances of JJU and JJL, respectively, as a function of $I_{\rm U}$ and $I_{\rm L}$ ,

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このレビューはAIが作成し、人間の編集者が確認しました。