[論文レビュー] Photon-assisted tunneling at the atomic scale: Probing resonant Andreev reflections from Yu-Shiba-Rusinov states

O. Peters, Nils Bogdanoff+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2020

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 50被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、光子補助トンネル効果が、共鳴アンドレーエフ反射を介してユウ＝シバ＝ルジノフ（YSR）状態をプローブする際、標準的なティエン＝ゴードン理論からの逸脱を明らかにした。著者らは、これらの逸脱を説明する改良された理論的モデルを構築し、サイドバンド間隔とスペクトル特徴が有効電荷および準位内状態の性質を符号化していることを示した。これにより、非代替的超伝導体やトポロジカルキュービットの原子スケールプローブとして強力な手法が確立された。

ABSTRACT

Tunneling across superconducting junctions proceeds by a rich variety of processes, which transfer single electrons, Cooper pairs, or even larger numbers of electrons by multiple Andreev reflections. Photon-assisted tunneling combined with the venerable Tien-Gordon model has long been a powerful tool to identify tunneling processes between superconductors. Here, we probe superconducting tunnel junctions including an impurity-induced Yu-Shiba-Rusinov (YSR) state by exposing a scanning tunneling microscope with a superconducting tip to microwave radiation. We find that a simple Tien-Gordon description describes tunneling of single electrons and Cooper pairs into the bare substrate, but breaks down for tunneling via YSR states by resonant Andreev reflections. We develop an improved theoretical description which is in excellent agreement with the data. Our results establish photon-assisted tunneling as a powerful tool to analyze tunneling processes at the atomic scale which should be particularly informative for unconventional and topological superconductors.

研究の動機と目的

• マイクロ波駆動による光子補助トンネル効果を用いて、原子スケールでの超伝導接合におけるトンネルメカニズムを調査すること。
• 標準的なティエン＝ゴードンモデルが、超伝導接合におけるユウ＝シバ＝ルジノフ（YSR）状態を介したトンネル効果を正確に記述しているかどうかを検証すること。
• 共鳴アンドレーエフ反射の存在下でティエン＝ゴードン予測からの逸脱を説明する、洗練された理論的枠組みを構築すること。
• 高周波放射および微分コンダクタンススペクトロスコピーを用いて、準位内状態の物理的性質（有効電荷および波動関数の性質など）を抽出すること。
• 光子補助トンネル効果が、トポロジカルおよび非代替的超伝導体における奇妙な準粒子状態をプローブする診断手法として確立されること。

提案手法

• 40 GHzの高周波マイクロ波放射を印加しながら、Pb(111)およびPb(110)基板上にPb被膜を施したSTM先端を用いてトンネル測定を実施した。
• 接合部近傍に効率的なHFアンテナとして機能する同軸ケーブルを用いた高周波回路統合により、マイクロ波放射を効果的に結合した。
• 光子補助トンネル過程に起因するサイドバンド構造を特定するために、dI/dVおよびd²I/dV²スペクトルを測定した。
• 単一電子トンネルおよびコープルペアトンネルを分析するため、ティエン＝ゴードンモデルを適用したが、YSR状態トンネルにおいて逸脱を観察した。
• 共鳴アンドレーエフ反射、緩和率（Γ₁、Γ₂）、およびペア崩壊効果（Γ_S）を組み込んだ拡張理論モデルを構築し、Dynesパラメータを用いた修正されたBCS状態密度関数を用いた。
• 実験的dI/dV曲線に、|u|²/ν₀ = 0.21 meV、|v|²/ν₀ = 0.83 meV、Γ₁ = 0.70 μeV、Γ₂ = 0.11 μeV、Γ_S = 20 μeV、および60 μeVの機器的幅を含むパラメータをフィッティングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子補助トンネル効果によるユウ＝シバ＝ルジノフ（YSR）状態のトンネルは、標準的なティエン＝ゴードンモデルの予測からどのように逸脱するか？
• RQ2 光子補助トンネルにおけるサイドバンド間隔とスペクトル特徴から、有効電荷および準位内状態の性質について何を抽出できるか？
• RQ3 YSR状態の存在下で、単一電子トンネルと共鳴アンドレーエフトンネルの両状態における緩和率およびトンネルダイナミクスはどのように異なるか？
• RQ4 修正された理論モデルは、純粋な接合およびYSR状態を有する接合の両方において、マイクロ波放射下での実験的dI/dVスペクトルを正確に再現できるか？
• RQ5 接合コンダクタンスは、単一電子トンネルと共鳴アンドレーエフトンネルのメカニズムの間の遷移において、どのような役割を果たすか？

主な発見

• YSR状態を介した光子補助トンネル効果は、特にサイドバンド間隔とピーク非対称性において、ティエン＝ゴードンモデルからの明確な逸脱を示した。
• 共鳴アンドレーエフ反射における有効電荷移動は2eであったことが判明し、eV = ±Δにおけるd²I/dV²スペクトルでのサイドバンド間隔ħΩ/2eがその証拠となった。
• フィッティングから得られた|u|²/|v|² = 0.253の比は、超伝導状態における電子およびホールトンネル振幅の非対称性を示唆した。
• 低コンダクタンス領域では、トンネル率Γₑ = 4.0 neVおよびΓₕ = 15.8 neVが、緩和率（Γ₁、Γ₂）よりも遅く、単一電子トンネルの支配的性質を確認した。
• 高コンダクタンス領域では、トンネル率がΓₑ = 6.2 μeVおよびΓₕ = 24.5 μeVに増加し、緩和率を上回った。これは、共鳴アンドレーエフトンネルが支配的になる遷移を示した。
• パラメータν₀t_low = 8.1×10⁻⁴およびν₀t_high = 39×8.1×10⁻⁴を用いた、洗練されたモデルによる理論的シミュレーションは、HF放射下での実験的dI/dV曲線と良好な一致を示した。