[論文レビュー] Phase-engineering the Andreev band structure of a three-terminal Josephson junction

M. Coraiola, D. Z. Haxell+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 63被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、InAs/Alヘテロ構造におけるトンネル分光法を用いて、三端子ジョセフソン接合におけるアンドレーエフ束縛状態の位相設計制御を実証した。磁束バイアスラインを用いて、2つの超伝導位相差を独立に制御することで、2つの離散的アンドレーエフ準位間の混合が観測され、2次元位相空間における回避クロスイングと異方的バンド構造が示された。数値モデルによる検証がなされた。本研究は、マルチ端子ハイブリッドナノ構造における合成アンドレーエフ物質およびトポロジカル状態を工学的に設計する基盤を確立する。

ABSTRACT

In hybrid Josephson junctions with three or more superconducting terminals coupled to a semiconducting region, Andreev bound states may form unconventional energy band structures, or Andreev matter, which are engineered by controlling superconducting phase differences. Here we report tunnelling spectroscopy measurements of three-terminal Josephson junctions realised in an InAs/Al heterostructure. The three terminals are connected to form two loops, enabling independent control over two phase differences and access to a synthetic Andreev band structure in the two-dimensional phase space. Our results demonstrate a phase-controlled Andreev molecule, originating from two discrete Andreev levels that spatially overlap and hybridise. Signatures of hybridisation are observed in the form of avoided crossings in the spectrum and band structure anisotropies in the phase space, all explained by a numerical model. Future extensions of this work could focus on addressing spin-resolved energy levels, ground state fermion parity transitions and Weyl bands in multiterminal geometries.

研究の動機と目的

• InAs/Alヘテロ構造において、2つの超伝導位相差を独立に制御可能な位相制御可能な三端子ジョセフソン接合（3TJJ）を実現し、そのプローブを実施すること。
• 離散的アンドレーエフ準位の空間的重なりと結合を通じて形成されるハイブリッド化されたアンドレーエフ束縛状態（「アンドレーエフ分子」として呼ばれる）の研究。
• 位相空間における2次元アンドレーエフバンド構造のマッピングと、回避クロスイングや異方的分散といったハイブリッド化の兆候の特定。
• 2つの超伝導リードに位相差を可変に設定したカップルド量子ドットモデルに基づく理論的モデルを用いて、実験的観察を検証すること。
• 今後のマルチ端子幾何構造におけるスピン分解準位、フェルミオンパリティ遷移、およびウェイル型バンド構造の探求の基盤を構築すること。

提案手法

• 選択的Alエッチングを用いて、InAs/Alヘテロ構造に三端子ジョセフソン接合を形成し、3つの超伝導端子（L, M, R）を共通ノードDを介して接続し、2つの閉じた超伝導ループを形成した。
• 磁束バイアスラインを用いて、電流（IL, IR）を注入し、左および右のループに外部磁束（ΦL, ΦR）を発生させ、位相差ϕLおよびϕRを独立に制御した。
• 直流トンネル分光法を実施するため、超伝導プローブリード（S）を用い、バイアス電圧（VSD）および位相差（ΦL, ΦR）の関数として微分コンダクタンス（G）を測定した。
• スイッチジャンクション（ゲート電圧VSwitchを用いて）を導入し、三端子（ON）と二端子（OFF）の構成を電気的に切り替えることで、比較的実験が可能になった。
• 2つのカップルド量子ドット（QDs）を用いた数値モデルを採用し、それぞれが位相ϕL, ϕR, ϕMを持つ2つの超伝導リードに接続されており、ハイブリダイゼーション（t）と透過率（Γ）を可変に設定した。
• 式13および14を用いて、測定された電流注入（IL, IR）を有効位相差（ΦL, ΦR）に変換するための電流-磁束リマップを実施し、正確な位相空間マッピングを可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三端子ジョセフソン接合におけるアンドレーエフ束縛状態は、位相設計によってハイブリッド化可能であり、2次元位相空間にどのような兆候が現れるか？
• RQ2 位相空間における回避クロスイングとバンド構造の異方性は、2つの離散的アンドレーエフ準位のハイブリッド化をどのように反映しているか？
• RQ3 観測されたバンド構造は、合成2次元位相空間におけるカップルドアンドレーエフ準位の理論モデルでどの程度説明可能か？
• RQ4 2つのループ間のジョセフソン的相互インダクタンスは、位相依存共振エネルギーのシフトにどのような役割を果たすか？
• RQ5 この系は、位相可変のトポロジカルまたは非自明なフェルミオン的性質を有する合成アンドレーエフ物質を工学的に設計するのに利用可能か？

主な発見

• トンネル分光法により、3TJJに2つの明確なアンドレーエフ束縛状態が観測され、それぞれが1つの位相差（ϕLおよびϕR）に分散して、位相空間における2次元バンド構造を形成した。
• 微分コンダクタンスマップにおいて、回避クロスイングが観測され、空間的重なりを示す2つのアンドレーエフ準位間の準位反発とハイブリッド化が裏付けられた。
• バンド構造は異方的分散を示した：共振線の傾きはスイッチジャンクションの状態に依存し、2つのループ間に有限のジョセフソン的相互インダクタンスがあることを確認した。
• ジャンクション状態を切り替えた際、最大ΔΦL ≈ 0.3Φ0およびΔΦR ≈ 0.2Φ0の位相差シフトが測定され、有限の相互インダクタンスおよびフラックス量子化と整合した。
• 実験データは、ハイブリダイゼーション（t ≈ 0.01Δ）を可変に設定し、有限の正規反射振幅を持つ2準位量子ドットモデルに基づく数値シミュレーションと良好に一致した。
• 本系は、2つの離散的アンドレーエフ準位のハイブリッド化によって生じる合成バンド構造を有する位相制御アンドレーエフ分子として機能し、二端子接合では達成できない物性を実現した。