[論文レビュー] Radio-frequency-driven motion of single Cooper pairs across the superconducting single-electron transistor with dissipative environment

A. B. Zorin, S. V. Lotkhov+2 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2001

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、オンチップのCr抵抗（R ≈ 40 kΩ）を用いて散乱環境を導入することで、超伝導単電子トランジスタを介した単一コープアー対のゲート駆動・一方向輸送を実証した。rfゲート電圧バイアスにより周波数fで位相ロックされた共鳴トンネルが誘発され、I ≈ 2efの明確な電流プラトーが観測され、散乱条件下でも高い忠実度でコherentな単一対輸送が実現していることが確認された。

ABSTRACT

We report on the effect of the frequency-locked transfer of single Cooper pairs in a superconducting single-electron Al transistor embedded in a dissipative environment (on-chip Cr resistor of R = 40 kOhm). The transistor was dc voltage biased, and the harmonic signal of frequency f of several MHz was applied to the gate. Due to the substantial rate of relaxation, the unidirectional transfer of single pairs occurred in each junction once per clock cycle and the current plateaus at I = 2ef were developed in the transistor's I-V curves. The mechanisms (supercurrent, Landau-Zener tunneling, quasiparticle tunneling, etc.) deteriorating the phase-locking regime are discussed.

研究の動機と目的

• 電圧バイアス下における超伝導単電子トランジスタ内での単一コープアー対の制御された一方向移動を達成すること。
• 散乱抵抗を用いた有限な減衰を導入することで、可逆的で弾性的なコープアー対トンネルの制限を克服すること。
• 位相ロックされた共鳴トンネル状態を実現し、I ≈ 2efで量子化された電流プラトーを生成すること。
• 位相ロックを損なう要因（例：ランダウ＝ツェナー遷移や準粒子トンネル）を同定し、低減すること。
• このようなデバイスが基礎計測および量子基準に応用可能かどうかを評価すること。

提案手法

• ゲートと二つのジョセフソンジャンクションを有するアルミニウム（Al）超伝導単電子トランジスタをフォーマットし、オンチップに配置されたCr抵抗（R ≈ 40 kΩ）を介して散乱環境を提供した。
• システムをdc電圧バイアスし、周波数fの調和的rf信号をゲートに印加することで、島の電荷の周期的変調を誘発した。
• 散乱環境により超電流が抑制され、エネルギーギャップの回避状態遷移確率の対称性が破られ、一方向トンネルが強化された。
• トンネル率は、減衰効果を反映した修正されたBCS型環境関数P(E) ∝ E^{2z′−1}（z′ = z/4、z = R/RQ）を用いてモデル化した。
• 理論的解析ではランダウ＝ツェナーモデルを用い、遷移確率と緩和率を推定し、p_LZ ≈ exp(−f₀/f)（f₀ ≈ 400 MHz）を予測した。
• 実験的に測定したI-V曲線から、1回のrf周期ごとに1つのコープアー対が輸送されることを示すI ≈ 2efの電流プラトーを観測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 散乱結合が、電圧バイアス下の超伝導単電子トランジスタ内での一方向的・coherentな単一コープアー対輸送を可能にするか。
• RQ2 抵抗値Rがトンネル率および単一対輸送の忠実度に与える影響は何か。
• RQ3 電流プラトーの精度を制限する主要なデコherence機構（例：ランダウ＝ツェナー遷移や準粒子トンネル）は何か。
• RQ4 RとE_cを調整することで、より高い周波数でより高い忠実度で動作可能なか。
• RQ5 計測応用を想定して、プラトーの鋭さを高め、その高さを安定化できる範囲はどの程度か。

主な発見

• I-V曲線において、I ≈ 2efの電流プラトーが実験的に観測され、1回のrf周期ごとに1つのコープアー対が輸送されていることが確認された。
• 最高で最も安定したプラトーは低駆動周波数（f = 2–3 MHz）で観測され、断熱的動作を示した。
• R ≈ 20–30 kΩでz′ ≈ 1となるため、トンネル率Γ(E) ∝ E^{2z′−1}となり、低電圧でも高速かつ信頼性の高い輸送が可能となった。
• ランダウ＝ツェナー遷移エラーはf ≤ 20 MHzでp_LZ < 10⁻⁸と推定され、最適条件下で高い忠実度が達成された。
• E_c > Δ_Alのため、偶奇パリティブロッキングが抑制され、準粒子トンネリングがプラトー品質を劣化させた。これはNb-Crサンプル（E_c ≈ Δ_Nb）で改善可能である。
• 理論的モデリングにより、E_c ≈ Δ_NbかつV < 80 μVの条件下で、エラーを約10⁻⁸まで低減可能であり、計測用基準に適合する水準に達することが示唆された。