[論文レビュー] Phase-dependent Andreev molecules and superconducting gap closing in coherently coupled Josephson junctions

Sadashige Matsuo, Takaya Imoto+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2023

Quantum and electron transport phenomena参考文献 47被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、共鳴的に結合したジョセフソン接合のトンネル分光法を用いて、電気的に調整可能な平面状接合が共通の超伝導電極を共有する状況下で、位相依存のアンドレーエフ分子状態（AMSs）の実験的形成を示した。主な結果は、AMS形成に起因する超伝導ギャップの閉じが観測されたことであり、これは一貫した結合を確認し、トポロジカル超伝導性および量子情報技術への応用を想定した制御可能なプラットフォームにおけるAMSsの直接的証明を提供する。

ABSTRACT

The Josephson junction (JJ) is an essential element of superconducting (SC) devices for both fundamental and applied physics. The short-range coherent coupling of two adjacent JJs forms the Andreev molecule states (AMSs), which will provide a new ingredient to engineer the SC transport in JJs and control the Andreev qubits. However, no experimental evidence of the AMSs in the coupled JJs has been reported. Here we provide the tunnel spectroscopic results of electrically controllable two planar JJs sharing one SC electrode. We discover that the coupled JJ results are highly modulated from the single JJ results, due to formation of the phase-dependent AMSs, meaning that the two JJs are coherently coupled. In addition, the superconducting gap closing due to the AMS formation is observed. Our results would help in understanding the microscopic mechanism of the coherent coupling and promoting the AMS physics to apply for research of the topological superconductivity and quantum information technology.

研究の動機と目的

• 理論的予測はなされているが、これまで確認されていなかった、共鳴的に結合したジョセフソン接合（JJs）におけるアンドレーエフ分子状態（AMSs）の実験的観測。
• 多接合系における超伝導輸送特性に及ぼす位相依存結合の役割の調査。
• トンネル分光法を用いた、JJs間の共鳴的結合の微視的メカニズムの解明。
• AMS形成が超伝導キュービットやトポロジカル超伝導性の工学的実装に与える影響の探求。
• 共通の超伝導電極を共有する平面状ジョセフソン接合構造を用いて、AMSsの電気的チューニング制御の実証。

提案手法

• 共鳴的結合を可能にするために、単一の超伝導電極を共有する電気的に調整可能な平面状ジョセフソン接合の作製。
• 局所状態密度をプローブし、アンドレーエフ束縁状態を検出するために、走査トンネル分光法（STS）の使用。
• ゲート電圧を印加して2つのJJs間の結合強度および位相差を調整し、AMS形成の制御を可能にした。
• AMSの特徴およびギャップの閉じを特定するために、バイアス電圧およびゲート電圧の関数としての微分コンダクタンスを測定した。
• エネルギー準位およびコンダクタンス特徴の位相依存性を分析し、分子的性質を示すアンドレーエフ状態の形成を確認した。
• 共鳴的結合の影響を分離するために、単一JJsの参照データと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共鳴的に結合したジョセフソン接合において、位相依存のアンドレーエフ分子状態を実験的に観測できるか？
• RQ2 アンドレーエフ分子の形成が、結合した接合における超伝導ギャップにどのように影響を与えるか？
• RQ3 位相のコherー二ティおよび接合間結合が、局所状態密度にどのように寄与するか？
• RQ4 平面状ジョセフソン接合構造において、AMSsの結合強度および位相を電気的にチューニング可能か？
• RQ5 トンネル分光法において、アンドレーエフ分子形成に起因する超伝導ギャップの閉じの特徴は何か？

主な発見

• 位相依存のアンドレーエフ分子状態が、明確なトンネルコンダクタンス特徴を通じて、共鳴的に結合したジョセフソン接合で実験的に確認された。
• 単一接合と比較して、結合接合系ではスペクトル特徴の強い変調が観測され、共鳴的結合および分子的性質を示すアンドレーエフ状態の形成を示している。
• 特定のゲート電圧において、明確な超伝導ギャップの閉じが観測され、これはアンドレーエフ分子の形成および超伝導ギャップの抑制を示している。
• アンドレーエフ束縁状態のエネルギー分裂および位相依存性は、結合したJJsにおけるAMSsの理論的予測と整合している。
• 結合強度の電気的チューニングにより、AMSエネルギー準位およびギャップの閉じを制御可能であり、分子状態のチューナビリティを示している。
• 本結果は、アンドレーエフ束縁状態を介したJJs間の共鳴的結合の微視的メカニズムに対する直接的実験的証明を提供している。